Forskere udvikler sensor til hurtigere og mere nøjagtige COVID-19-test

En COVID-19-sensor udviklet ved Johns Hopkins University kunne revolutionere virustestning ved at tilføje nøjagtighed og hastighed til en proces, der frustrerede mange under pandemien.

I en ny undersøgelse offentliggjort i dag i Nano Letters , beskriver forskerne den nye sensor, som ikke kræver prøveforberedelse og minimal operatørekspertise, hvilket giver en stærk fordel i forhold til eksisterende testmetoder, især til test i hele populationen.

"Teknikken er så simpel som at lægge en dråbe spyt på vores enhed og få et negativt eller et positivt resultat," sagde Ishan Barman, en lektor i maskinteknik, som sammen med David Gracias, en professor i kemisk og biomolekylær teknik, er seniorforfattere af undersøgelsen. "Den vigtigste nyhed er, at dette er en etiketfri teknik, hvilket betyder, at der ikke kræves yderligere kemiske modifikationer såsom molekylær mærkning eller antistoffunktionalisering. Det betyder, at sensoren i sidste ende kan bruges i bærbare enheder."

Barman siger, at den nye teknologi, som endnu ikke er tilgængelig på markedet, adresserer begrænsningerne ved de to mest udbredte typer af COVID-19-tests:PCR og hurtige tests.

PCR-tests er meget nøjagtige, men kræver kompliceret prøveforberedelse, hvor resultaterne tager timer eller endda dage at behandle i et laboratorium. På den anden side er hurtige tests, som leder efter eksistensen af ​​antigener, mindre succesfulde til at opdage tidlige infektioner og asymptomatiske tilfælde og kan føre til fejlagtige resultater.

Sensoren er næsten lige så følsom som en PCR-test og lige så praktisk som en hurtig antigentest. Under den indledende test demonstrerede sensoren 92 % nøjagtighed ved påvisning af SARS-COV-2 i spytprøver - sammenlignelig med PCR-tests. Sensoren var også meget vellykket til hurtigt at bestemme tilstedeværelsen af ​​andre vira, herunder H1N1 og Zika.

Sensoren er baseret på stort område nanoimprint litografi, overfladeforstærket Raman spektroskopi (SERS) og maskinlæring. Den kan bruges til massetest i engangschipformater eller på stive eller fleksible overflader.

Nøglen til metoden er den store fleksible feltforstærkende metalisolatorantenne (FEMIA)-array udviklet af Gracias-laboratoriet. Spytprøven anbringes på materialet og analyseres ved hjælp af overfladeforstærket Raman-spektroskopi, som anvender laserlys til at undersøge, hvordan molekyler i den undersøgte prøve vibrerer. Fordi den nanostrukturerede FEMIA styrker virussens Raman-signal betydeligt, kan systemet hurtigt detektere tilstedeværelsen af ​​en virus, selvom der kun findes små spor i prøven. En anden stor innovation i systemet er brugen af ​​avancerede maskinlæringsalgoritmer til at detektere meget subtile signaturer i de spektroskopiske data, der gør det muligt for forskere at lokalisere tilstedeværelsen og koncentrationen af ​​virussen.

"Label-free optical detection, combined with machine learning, allows us to have a single platform that can test for a wide range of viruses with enhanced sensitivity and selectivity, with a very fast turnaround," said lead author Debadrita Paria, who worked on the research as a post-doctoral fellow of Mechanical Engineering.

The sensor material can be placed on any type of surface, from doorknobs and building entrances to masks and textiles.

"Using state of the art nanoimprint fabrication and transfer printing we have realized highly precise, tunable, and scalable nanomanufacturing of both rigid and flexible COVID sensor substrates, which is important for future implementation not just on chip-based biosensors but also wearables," said Gracias.

He says the sensor could potentially be integrated with a hand-held testing device for fast screenings at crowded places like airports or stadiums.

"Our platform goes beyond the current COVID-19 pandemic," said Barman. "We can use this for broad testing against different viruses, for instance, to differentiate between SARS-CoV-2 and H1N1, and even variants. This is a major issue that can't be readily addressed by current rapid tests."

The team continues working to further develop and test the technology with patient samples. Johns Hopkins Technology Ventures has applied for patents on the intellectual property associated it and the team is pursuing license and commercialization opportunities.

Authors include:Kam Sang (Mark) Kwok, a graduate student in Chemical and Biomolecular Engineering; Piyush Raj, a graduate student; and Peng Zheng, a post-doctoral fellow in Mechanical Engineering. + Udforsk yderligere

Development of home COVID-19 test comparable to PCR accuracy, selectivity