Op papier gebaseerde sensor detecteert COVID-19 in enkele minuten

Aangezien de COVID-19-pandemie zich over de hele wereld blijft verspreiden, blijft testen een belangrijke strategie om het virus op te sporen en in te dammen. Onderzoekers hebben een snelle, ultragevoelige test ontwikkeld met behulp van een op papier gebaseerde elektrochemische sensor die de aanwezigheid van het virus in minder dan vijf minuten kan detecteren.

Er zijn twee brede categorieën van COVID-19-tests op de markt. De eerste maakt gebruik van real-time polymerasekettingreactie van reverse transcriptase (RT-PCR) en nucleïnezuurhybridisatiestrategieën om viraal RNA te identificeren. Enkele nadelen zijn de hoeveelheid tijd die nodig is om de test te voltooien, de behoefte aan gespecialiseerd personeel en de beschikbaarheid van apparatuur en reagentia. De tweede categorie richt zich op de detectie van antilichamen; er kan echter een vertraging zijn van enkele dagen tot enkele weken nadat een persoon aan het virus is blootgesteld om detecteerbare antilichamen te produceren.

De afgelopen jaren hebben onderzoekers enig succes gehad met het maken van point-of-care-biosensoren met behulp van 2D-nanomaterialen zoals grafeen om ziekten te detecteren. De belangrijkste voordelen van deze biosensoren zijn hun gevoeligheid, lage productiekosten en snelle detectie. Grafeen vertoont unieke mechanische en elektrochemische eigenschappen die het ideaal maken voor de ontwikkeling van gevoelige elektrochemische sensoren. Het team creëerde een op grafeen gebaseerde elektrochemische biosensor met een elektrische uitleesopstelling om selectief de aanwezigheid van genetisch materiaal van SARS-CoV-2 te detecteren.

De biosensor bestaat uit twee componenten:een platform om een ​​elektrische uitlezing te meten en sondes om de aanwezigheid van viraal RNA te detecteren. Om het platform te creëren, bedekten onderzoekers eerst filterpapier met een laag grafeen-nanoplaatjes om een ​​geleidende film te creëren. Vervolgens plaatsten ze een gouden elektrode met een vooraf gedefinieerd ontwerp bovenop het grafeen als een contactkussen voor elektrische uitlezing. Zowel goud als grafeen hebben een hoge gevoeligheid en geleidbaarheid, waardoor dit platform ultragevoelig is voor het detecteren van veranderingen in elektrische signalen.

Huidige op RNA gebaseerde COVID-19-tests screenen op de aanwezigheid van het N-gen (nucleocapsidefosfoproteïne) op het SARS-CoV-2-virus. In dit onderzoek ontwierp het team antisense oligonucleotide (ASO's) sondes om zich op twee regio's van het N-gen te richten. Het richten op twee regio's zorgt voor de betrouwbaarheid van de senor in het geval dat een regio genmutatie ondergaat. Gouden nanodeeltjes (AuNP) zijn afgedekt met deze enkelstrengs nucleïnezuren (ssDNA), die een ultragevoelige detectieprobe voor het SARS-CoV-2-RNA vertegenwoordigen.

De gevoeligheid van de ontwikkelde sensing probes toonden de onderzoekers eerder al in eerder werk aan. De hybridisatie van het virale RNA met deze probes veroorzaakt een verandering in de elektrische respons van de sensor. De AuNP-caps versnellen de elektronenoverdracht en wanneer ze over het detectieplatform worden uitgezonden, resulteert dit in een toename van het uitgangssignaal en geeft het de aanwezigheid van het virus aan.

Het team testte de prestaties van de sensor met behulp van COVID-19 positieve en negatieve monsters. De sensor toonde een significante toename van de spanning van positieve monsters in vergelijking met de negatieve en bevestigde de aanwezigheid van viraal genetisch materiaal in minder dan vijf minuten. Bovendien was de sensor in staat om virale RNA-belastingen in deze monsters te differentiëren. Virale belasting is een belangrijke kwantitatieve indicator van de voortgang van infectie en een uitdaging om te meten met behulp van bestaande diagnostische methoden.

Dit platform heeft verreikende toepassingen vanwege de draagbaarheid en lage kosten. De sensor kan, wanneer geïntegreerd met microcontrollers en LED-schermen of met een smartphone via Bluetooth of WiFi, worden gebruikt op de point-of-care in de spreekkamer of zelfs thuis. Naast COVID-19 voorziet het team ook dat het systeem kan worden aangepast voor de detectie van veel verschillende ziekten.