Уникальные свойства углеродного листа толщиной в атом, известного как графен, позволили создать новый мультиплексный биосенсор размером с пенни, который первым обнаружил побочные продукты опиоидов в сточных водах. Лаборатории сообщают в последнем онлайн-выпуске журнала ACS Nano.

Новое устройство является первым, в котором используются полевые транзисторы на основе графена для одновременного обнаружения четырех различных синтетических и природных опиоидов, защищая их от агрессивных элементов сточных вод. Когда определенный метаболит опиоида присоединяется к молекулярному зонду на графене, он изменяет электрический заряд на графене. Эти сигналы легко считываются в электронном виде для каждого датчика, подключенного к устройству.

«Этот новый датчик, который мы разработали, способен быстро, дешево и легко измерять опиоиды в сточных водах», — сказал профессор физики Бостонского колледжа Кеннет Берч, ведущий автор отчета. «Его чувствительность и мобильность позволили бы проводить эпидемиологию на основе сточных вод в локальном масштабе, будь то блок за блоком или общежитие за общежитием, обеспечивая при этом конфиденциальность».

Устройство отвечает на основную проблему опиоидной эпидемии: определение количества и вида наркотиков, используемых в сообществе. Проблемы с конфиденциальностью и ограниченные ресурсы являются препятствиями для тестирования больших групп населения. Альтернативным подходом является эпидемиология сточных вод, аналогичная тестированию сточных вод для измерения уровня заражения коронавирусом в сообществе во время пандемии.

«Тестирование сточных вод — это новая стратегия, которая может преодолеть ограничения и стигматизацию, связанные с индивидуальным тестированием на наркотики, и обеспечивает более объективную оценку употребления наркотиков на уровне района», — сказал вице-президент Giner Labs по передовым материалам Авни Аргун, один из руководителей проэкт. «В то время как тестирование сточных вод широко проводится в Европе, в США проводится лишь несколько исследований. Быстрый и портативный характер устройства команды позволит проводить широкомасштабное тестирование населения с низкими затратами и высоким географическим разрешением».

Работа команды Аргуна в Giner Labs в Ньютоне, штат Массачусетс, финансируется Национальным институтом по борьбе со злоупотреблением наркотиками при Национальном институте здравоохранения, который работает с исследователями над разработкой инструментов «умного города», которые помогут программам наблюдения за общественным здравоохранением, направленным на борьбу с употреблением наркотиков и злоупотреблением ими. Дополнительное финансирование проекта поступило от Национального научного фонда, Национальных институтов здравоохранения и Управления военно-морских исследований.

Прототип команды может предоставить более дешевый и быстрый инструмент для использования должностными лицами общественного здравоохранения, пытающимися определить уровень употребления опиоидов и влияние лечебных вмешательств в масштабах всего сообщества.

По словам Берча, хотя графен и раньше использовался для обнаружения биологических образцов, работа группы является первой демонстрацией того, что этот материал можно использовать со сточными водами.

Кроме того, согласно отчету, это первая демонстрация использования полевых транзисторов на основе графена, электронного устройства для считывания количества заряда для одновременного обнаружения нескольких целей.

По словам Берча, прорыв стал возможен благодаря разработке и внедрению платформы графеновых электронных мультиплексных датчиков (GEMS). Платформа позволяет обнаруживать четыре разные молекулы-мишени одновременно, защищая их от агрессивных элементов в сточных водах, образцы которых были предоставлены Центром испытаний альтернативных септических систем штата Массачусетс (MASSTC) на Кейп-Код.

Команда оснастила графеновые зонды «аптамерами», цепями ДНК, предназначенными для прикрепления только к определенной молекуле — в данном случае к метаболитам различных опиоидов в сточных водах. Когда аптамер присоединяется к лекарству, он сворачивается, придавая графену больше заряда. По словам Берча, количество заряда на графене отслеживается для обнаружения присутствия определенного опиоидного метаболита.

«Эти аптамеры были прикреплены к нашим графеновым устройствам, и при улавливании препарата индуцированный заряд на графене считывался электронным способом», — сказал Берч. «Наш процесс изготовления и конструкция привели к тому, что нижний предел обнаружения был на порядок лучше, чем в предыдущих отчетах по другим методам».

Предыдущие инструменты для отбора проб столкнулись с ограничениями, поскольку требовали доставки образцов и их тестирования в лабораторных условиях. Эти требования влекут за собой затраты, которые ограничивают широкое внедрение и использование в сообществах без достаточных ресурсов. Преодолев эти ограничения, графеновое устройство может обеспечить мониторинг почти в реальном времени в нескольких местах, что также может помочь распределить ресурсы, такие как службы экстренного реагирования или конкретные стратегии вмешательства, сказал Берч.

«Это первый такой датчик, который может достичь этого с такой простой и удобной в использовании настройкой — одна платформа GEMS имеет размер копейки», — добавил Берч.

Успех GEMS стал результатом долгосрочного сотрудничества под руководством Берча, объединившего опыт в области ДНК адъюнкт-профессора биологии Бостонского колледжа Тима ван Опийнена, выращивание графена химиком Бостонского университета Си Лин и опыт разработки биосенсорных анализов Аргуна и ученых из Лаборатория Гинера.

Среди дополнительных исследователей, участвовавших в проекте, были аспирант Бостонского колледжа Майкл Гейвиц, научный сотрудник Нарендра Кумар, студент Мэтью Каталан и исследователь с докторской степенью Хуан С. Ортис-Маркес; Мухит Рана из Giner Labs, Ниазул Ислам Хан, Эндрю Вебер и Бадави Двейк; и аспирант BU Хикари Китадай.

Берч сказал, что команда была удивлена ​​тем, насколько хорошо устройство выдержало суровые условия сточных вод. Он сказал, что его лаборатория работает с Giner Labs в рамках финансирования исследований инноваций малого бизнеса (SBIR) NIDA для разработки устройств для возможного коммерческого использования.

«Мы также работаем над тем, для чего еще можно использовать платформу, например, для быстрого домашнего тестирования на вирусные инфекции и/или наличие патогенов в сточных водах», — сказал Берч.