Brug af grafen og små dråber til at opdage mavekræftfremkaldende bakterier

Biosensorer bruges i øjeblikket i sundhedsvæsenet til at overvåge blodsukker; imidlertid, de har også potentiale til at opdage bakterier. Forskere ved Osaka University har opfundet en ny biosensor ved hjælp af grafen-et materiale bestående af et et-atom-tykt lag kulstof-til at opdage bakterier som dem, der angriber maveslimhinden, og som har været forbundet med mavekræft. Når bakterierne interagerer med biosensoren, kemiske reaktioner udløses, som detekteres af grafen. For at muliggøre påvisning af de kemiske reaktionsprodukter, forskerne brugte mikrofluidik til at indeholde bakterierne i ekstremt små dråber tæt på sensoroverfladen.

For at få bakterierne til at klistre, forskerne dækkede grafen med antistoffer, en almindelig måde at forankre bakterier på biosensoroverflader. Imidlertid, selvom antistoffer er meget små (~ 10 nm), på atomskalaen og sammenlignet med det atom-tynde lag af grafen, de er faktisk ret store og omfangsrige. Mens bakterierne interagerer med antistofferne, grafen kan ikke påvise disse bakterier direkte, da antistofferne på dens overflade blokerer signalet; denne signalblokerende effekt kaldes Debye -screening.

For at overvinde Debye -screeningsbegrænsningen, forskerne besluttede i stedet at overvåge kemiske reaktioner, der udføres af bakterierne i nærvær af visse kemikalier, som de tilføjede til den lille vanddråbe. Kemikalierne, der produceres i reaktionerne, er langt mindre end antistofferne og kan let glide mellem dem og nå grafenoverfladen. Ved kun at analysere bakterierne i små dråber, der genereres gennem mikrofluidik, bakterierne og deres reaktionsprodukter kan holdes tæt på grafenoverfladen, og koncentrationen af ​​reaktionsprodukterne kan endda overvåges over tid.

"Vores biosensor muliggør meget følsom og kvantitativ påvisning af bakterier, der forårsager mavesår og mavekræft ved at begrænse dens reaktion i et veldefineret mikrovolumen, "siger medforfatter af undersøgelsen Kazuhiko Matsumoto.

Den grafenfølende overflade er i stand til at give feedback på elektriske signaler, der varierer afhængigt af hvor meget af reaktionsproduktet, der er til stede i mikrodråben, og hvor hurtigt det akkumuleres. Disse elektriske signaler kan bruges til at beregne antallet af bakterier i dråben. Grafen er opsat i en felteffekttransistor (FET) struktur, hvis rolle er dramatisk at øge de elektriske detektionssignaler fra grafenfølerfladen.

"Vores biosensor er i det væsentlige et minilaboratorium på et grafen FET. Denne sensor demonstrerer, hvordan todimensionelle materialer som grafen kommer tættere på at blive anvendt i praktiske medicinske og sundhedsmæssige applikationer, "siger første forfatter Takao Ono.

Resultaterne af undersøgelsen kan bruges til at oprette en lang række af disse lab-on-a-graphene-FET biosensorer til at detektere forskellige forskellige bakterier. Påvisning af små koncentrationer af bakterier kunne opnås på mindre end 30 minutter; derfor, dette arbejde repræsenterer muligheden for hurtigere diagnoser for potentielt skadelige bakterier i fremtiden.