Grafensensor registrerer hurtigt opioidmetabolitter i spildevand

De unikke egenskaber ved den atomtykke kulstofplade, kendt som grafen, muliggjorde en ny, kronestørrelse, multiplekset biosensor, der er den første til at opdage opioidbiprodukter i spildevand, et team af forskere fra Boston College, Boston University og Giner Labs-rapport i den seneste online-udgave af tidsskriftet ACS Nano .

Den nye enhed er den første til at bruge grafenbaserede felteffekttransistorer til at detektere fire forskellige syntetiske og naturlige opioider på én gang, mens de beskytter dem mod spildevandets barske elementer. Når en specifik opioidmetabolit binder sig til en molekylær sonde på grafenet, ændrer den den elektriske ladning på grafenen. Disse signaler aflæses nemt elektronisk for hver sonde, der er tilsluttet enheden.

"Denne nye sensor, vi har udviklet, er i stand til hurtigt, billigt og nemt at måle opioider i spildevand," siger professor i fysik ved Boston College Kenneth Burch, en hovedforfatter af rapporten. "Dens følsomhed og portabilitet ville give mulighed for spildevandsbaseret epidemiologi på lokal skala - så specifik som blok-for-blok eller sovesal-for-kollegie-og samtidig sikre privatlivets fred."

Enheden reagerer på en primær udfordring ved opioidepidemien:at bestemme mængden og typen af ​​stoffer, der bruges i et samfund. Bekymringer om privatlivets fred og begrænsede ressourcer er barrierer for at teste store populationer. En alternativ tilgang er spildevandsbaseret epidemiologi, svarende til at teste spildevand for at måle samfundsniveauer af coronavirusinfektion under pandemien.

"Spildevandstestning er en ny strategi, der kan overvinde begrænsninger og stigma forbundet med individuel stoftestning, og den giver et mere objektivt mål for stofbrug på nabolagsniveau," sagde Giner Labs Vice President for Advanced Materials Avni Argun, en medleder i projektet. "Mens spildevandstest er blevet udført i vid udstrækning i Europa, findes der kun få undersøgelser i USA. Hurtig og bærbar karakter af holdets enhed ville tillade bredskala befolkningstest til lave omkostninger og høj geografisk opløsning."

Arbejdet fra Arguns team på Giner Labs i Newton, Mass., er finansieret af NIH's National Institute on Drug Abuse, som samarbejder med forskere om at udvikle smart city-værktøjer, der kan hjælpe folkesundhedsovervågningsprogrammer, der adresserer stofbrug og -misbrug. Yderligere finansiering til projektet kom fra National Science Foundation, National Institutes of Health og Office of Naval Research.

Holdets prototype kunne give et billigere og hurtigere værktøj til brug for offentlige sundhedsembedsmænd, der forsøger at bestemme niveauet af opioidbrug og virkningen af ​​behandlingsinterventioner i hele samfundet.

Mens grafen er blevet brugt før til at afføle biologiske prøver, er holdets arbejde den første demonstration af, at materialet kunne bruges sammen med spildevand, sagde Burch.

Derudover er det den første demonstration af brug af grafenbaserede felteffekttransistorer, en elektronisk enhed til at aflæse mængden af ​​ladning, for at detektere flere mål på samme tid, ifølge rapporten.

Gennembruddet blev muliggjort af design og implementering af grafen elektronisk multiplexed sensor (GEMS) platform, sagde Burch. Platformen muliggør sansning af fire forskellige målmolekyler på én gang, mens den beskytter dem mod barske elementer i spildevand, hvoraf prøver blev leveret af Mass. Alternative Septic System Test Center (MASSTC) på Cape Cod.

Holdet forsynede grafenproberne med "aptamerer", DNA-strenge designet til kun at binde sig til et specifikt molekyle - i dette tilfælde metabolitter af forskellige opioider i spildevand. Når aptameren binder sig til stoffet, folder den sig, hvilket bringer mere ladning til grafen. Mængden af ​​ladning på grafenen overvåges for at detektere tilstedeværelsen af ​​en specifik opioidmetabolit, sagde Burch.

"Disse aptamerer blev fastgjort til vores grafenenheder, og når stoffet blev fanget, blev den inducerede ladning på grafenen aflæst elektronisk," sagde Burch. "Vores fremstillingsproces og design resulterede i en lavere detektionsgrænse, en størrelsesorden bedre end tidligere rapporter med andre metoder."

Tidligere prøvetagningsværktøjer stod over for begrænsningerne, fordi de krævede forsendelse af prøver og test i laboratoriemiljøer. Disse krav pålægger omkostninger, der begrænser bred anvendelse og brug i fællesskaber uden tilstrækkelige ressourcer. Ved at overvinde disse grænser kan grafenenheden give næsten realtidsovervågning flere steder, hvilket også kan hjælpe med at distribuere ressourcer såsom førstehjælpere eller specifikke interventionsstrategier, sagde Burch.

"Dette er den første sådan sensor, der kan opnå det med en så enkel og brugervenlig opsætning - en enkelt GEMS-platform er på størrelse med en krone," tilføjede Burch.

GEMS's succes skyldtes et langsigtet samarbejde ledet af Burch, der samler DNA-ekspertisen fra Boston College Associate Professor of Biology Tim van Opijnen, grafendyrkning af Boston University kemiker Xi Ling og biosensor assay udviklingsekspertise fra Argun og videnskabsmænd fra Giner Labs.

Yderligere forskere på projektet omfattede Boston College kandidatstuderende Michael Geiwitz, forsker Narendra Kumar, bachelor Matthew Catalan, og post-doc forsker Juan C. Ortiz-Marquez; Giner Labs' Muhit Rana, Niazul Islam Khan, Andrew Weber og Badawi Dweik; og BU kandidatstuderende Hikari Kitadai.

Burch sagde, at holdet var overrasket over, hvor godt enheden modstod det barske spildevandsmiljø. Han sagde, at hans laboratorium arbejder sammen med Giner Labs under NIDA-finansiering af innovationsforskning for små virksomheder (SBIR) for at udvikle enheder til eventuel kommerciel brug.

"Vi arbejder også på at se, hvad platformen ellers kan bruges til, såsom hurtig hjemmetest af virusinfektioner og/eller tilstedeværelsen af ​​patogener i spildevand," sagde Burch. + Udforsk yderligere

Grafen understøtter en ny platform til selektivt at identificere dødelige bakteriestammer