Papirbaseret elektrokemisk sensor kan registrere COVID-19 på mindre end fem minutter

Mens COVID-19-pandemien fortsætter med at sprede sig over hele verden, test er fortsat en nøglestrategi til at spore og begrænse virussen. Bioingeniørstuderende, Maha Alafeef, har medudviklet en hurtig, ultrasensitiv test ved hjælp af en papirbaseret elektrokemisk sensor, der kan detektere tilstedeværelsen af ​​virussen på mindre end fem minutter. Holdet ledet af professor Dipanjan Pan rapporterede deres resultater i ACS Nano .

"I øjeblikket, vi oplever en livsændrende begivenhed en gang i et århundrede, " sagde Alafeef. "Vi reagerer på dette globale behov fra en holistisk tilgang ved at udvikle multidisciplinære værktøjer til tidlig påvisning og diagnose og behandling af SARS-CoV-2."

Der er to brede kategorier af COVID-19-tests på markedet. Den første kategori bruger revers transkriptase-real-time polymerasekædereaktion (RT-PCR) og nukleinsyrehybridiseringsstrategier til at identificere viralt RNA. Nuværende FDA-godkendte diagnostiske tests bruger denne teknik. Nogle ulemper omfatter mængden af ​​tid, det tager at gennemføre testen, behovet for specialiseret personale og tilgængeligheden af ​​udstyr og reagenser.

Den anden kategori af test fokuserer på påvisning af antistoffer. Imidlertid, der kan være en forsinkelse på et par dage til et par uger efter, at en person er blevet udsat for virussen, så de kan producere påviselige antistoffer.

I de seneste år, forskere har haft en vis succes med at skabe point-of-care biosensorer ved hjælp af 2-D nanomaterialer såsom grafen til at opdage sygdomme. De vigtigste fordele ved grafen-baserede biosensorer er deres følsomhed, lave produktionsomkostninger og hurtig detektering. "Opdagelsen af ​​grafen åbnede op for en ny æra af sensorudvikling på grund af dets egenskaber. Grafen udviser unikke mekaniske og elektrokemiske egenskaber, der gør det ideelt til udvikling af følsomme elektrokemiske sensorer, " sagde Alafeef. Holdet skabte en grafen-baseret elektrokemisk biosensor med en elektrisk udlæsningsopsætning til selektivt at detektere tilstedeværelsen af ​​SARS-CoV-2 genetisk materiale.

Der er to komponenter til denne biosensor:En platform til at måle en elektrisk udlæsning og prober til at påvise tilstedeværelsen af ​​viralt RNA. For at skabe platformen, forskere bestrøg først filterpapir med et lag af grafen nanoplader for at skabe en ledende film. Derefter, de placerede en guldelektrode med et foruddefineret design oven på grafenen som en kontaktpude til elektrisk udlæsning. Både guld og grafen har høj følsomhed og ledningsevne, hvilket gør denne platform ultrafølsom til at registrere ændringer i elektriske signaler.

Nuværende RNA-baserede COVID-19 tests screener for tilstedeværelsen af ​​N-genet (nukleocapsid phosphoprotein) på SARS-CoV-2 virus. I denne forskning, holdet designet antisense oligonukleotid (ASOs) prober til at målrette to regioner af N-genet. Målretning af to regioner sikrer pålideligheden af ​​senoren i tilfælde af, at en region gennemgår genmutation. Desuden, guld nanopartikler (AuNP) er dækket med disse enkeltstrengede nukleinsyrer (ssDNA), som repræsenterer en ultrafølsom sensing-probe for SARS-CoV-2 RNA.

Forskerne har tidligere vist følsomheden af ​​de udviklede sensingprober i deres tidligere arbejde offentliggjort i ACS Nano . Hybridiseringen af ​​det virale RNA med disse prober forårsager en ændring i sensorens elektriske respons. AuNP-hætterne accelererer elektronoverførslen, og når de udsendes over sensorplatformen, resulterer i en stigning i udgangssignalet og indikerer tilstedeværelsen af ​​virussen.

Holdet testede denne sensors ydeevne ved at bruge COVID-19 positive og negative prøver. Sensoren viste en signifikant stigning i spændingen af ​​positive prøver sammenlignet med de negative og bekræftede tilstedeværelsen af ​​viralt genetisk materiale på mindre end fem minutter. Desuden, sensoren var i stand til at differentiere virale RNA-belastninger i disse prøver. Viral belastning er en vigtig kvantitativ indikator for infektionens fremskridt og en udfordring at måle ved hjælp af eksisterende diagnostiske metoder.

Denne platform har vidtrækkende applikationer på grund af dens portabilitet og lave omkostninger. Sensoren, når den er integreret med mikrocontrollere og LED-skærme eller med en smartphone via Bluetooth eller wifi, kan bruges på plejestedet på en læges kontor eller endda derhjemme. Ud over COVID-19, forskerholdet forudser også, at systemet kan tilpasses til påvisning af mange forskellige sygdomme.

"Det ubegrænsede potentiale ved bioingeniør har altid vakt min største interesse med dets innovative translationelle applikationer, " sagde Alafeef. "Jeg er glad for at se, at mit forskningsprojekt har en indflydelse på løsningen af ​​et problem i den virkelige verden. Endelig, Jeg vil gerne takke min ph.d. rådgiver professor Dipanjan Pan for hans endeløse støtte, forsker Dr. Parikshit Moitra, og forskningsassistent Ketan Dighe for deres hjælp og bidrag til denne undersøgelses succes."