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纸基电化学传感器可在不到五分钟的时间内检测到 COVID-19
来源:Huan Song,伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 发表于 2022/12/6

COVID-19电化学传感平台。来源:伊利诺伊大学

随着COVID-19大流行继续在世界各地蔓延,检测仍然是跟踪和遏制病毒的关键策略。生物工程研究生Maha Alafeef共同开发了一种快速,超灵敏的测试,使用基于纸张的电化学传感器,可以在不到五分钟的时间内检测到病毒的存在。由Dipanjan Pan教授领导的团队在ACS Nano上报告了他们的发现。


“目前,我们正在经历一个百年一遇的改变生活的事件,”阿拉菲夫说。“我们正在通过开发用于SARS-CoV-2早期发现、诊断和治疗的多学科工具来从整体方法应对这一全球需求。”


市场上有两大类 COVID-19 测试。第一类使用逆转录酶实时聚合酶链反应(RT-PCR)和核酸杂交策略来鉴定病毒RNA。目前FDA批准的诊断测试使用这种技术。一些缺点包括完成测试所需的时间,对专业人员的需求以及设备和试剂的可用性。


第二类测试侧重于抗体的检测。然而,在一个人接触病毒后,可能会延迟几天到几周,以便他们产生可检测的抗体。


近年来,研究人员在使用石墨烯等2D纳米材料检测疾病方面取得了一些成功。基于石墨烯的生物传感器的主要优点是其灵敏度,低生产成本和快速检测周转。“石墨烯的发现由于其特性开辟了传感器开发的新时代。石墨烯具有独特的机械和电化学性能,使其成为开发敏感电化学传感器的理想选择,“Alafeef说。该团队创建了一个基于石墨烯的电化学生物传感器,具有电读出装置,以选择性地检测SARS-CoV-2遗传物质的存在。


该生物传感器有两个组件:用于测量电读数的平台和用于检测病毒RNA存在的探针。为了创建该平台,研究人员首先在滤纸上涂上一层石墨烯纳米片以创建导电膜。然后,他们将具有预定义设计的金电极放置在石墨烯顶部,作为电读数的接触垫。金和石墨烯都具有高灵敏度和导电性,这使得该平台对检测电信号的变化非常敏感。


目前基于 RNA 的 COVID-19 测试筛查 SARS-CoV-2 病毒上是否存在 N 基因(核衣壳磷蛋白)。在这项研究中,研究小组设计了反义寡核苷酸(ASOs)探针,以靶向N基因的两个区域。靶向两个区域可确保在一个区域发生基因突变时传感器的可靠性。此外,金纳米颗粒(AuNP)被这些单链核酸(ssDNA)覆盖,这是SARS-CoV-2 RNA的超灵敏传感探针。


研究人员之前在ACS Nano上发表的早期工作中展示了所开发的传感探针的灵敏度。病毒RNA与这些探针的杂交会导致传感器电响应的变化。AuNP帽加速电子转移,当通过传感平台广播时,导致输出信号增加并指示病毒的存在。


该团队通过使用 COVID-19 阳性和阴性样本测试了该传感器的性能。与阴性样本相比,传感器显示阳性样本的电压显着增加,并在不到五分钟的时间内确认了病毒遗传物质的存在。此外,该传感器能够区分这些样品中的病毒RNA载量。病毒载量是感染进展的重要定量指标,也是使用现有诊断方法测量的挑战。


由于其便携性和低成本,该平台具有深远的应用。当传感器与微控制器和LED屏幕或通过蓝牙或wifi与智能手机集成时,可以在医生办公室甚至家中的护理点使用。除了COVID-19之外,研究小组还预计该系统将适用于检测许多不同的疾病。


“生物工程的无限潜力一直以其创新的转化应用激发我的兴趣,”Alafeef说。“我很高兴看到我的研究项目对解决现实世界的问题产生影响。我要感谢我的博士导师Dipanjan Pan教授的无尽支持,研究科学家Parikshit Moitra博士和研究助理Ketan Dighe为这项研究的成功提供了帮助和贡献。


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