Snelle Papiergebaseerde Sensor Detecteert COVID-19 in Ondertussen 5 Minuten

Ultrgevoelige Electrochemische Biosensor op Grafene Basis voor Rapid Testing

Terwijl de COVID-19-pandemie zich wereldwijd uitbreidt, blijft testen een sleutelstrategie voor het volgen en beheersen van het virus. Onderzoekers hebben een snelle, ultrgevoelige test ontwikkeld met een papiergebaseerde elektrochemische sensor die de aanwezigheid van het virus in minder dan vijf minuten kan detecteren.

Huidige Testcategorieën

Er zijn twee brede categorieën COVID-19-tests op de markt. De eerste gebruikt reverse transcriptase real-time polymeraseketenreactie (RT-PCR) en nucleïnezuur-hybridisatiestrategieën om viraal RNA te identificeren. Nadelen zijn de benodigde tijd, gespecialiseerd personeel, en beschikbaarheid van apparatuur en reagentia. De tweede categorie richt zich op antilichaamdetectie; er kan echter een vertraging van dagen tot weken zijn na blootstelling voordat detecteerbare antilichamen geproduceerd worden.

In recente jaren hebben onderzoekers succes geboekt met point-of-care biosensors met 2D nanomaterialen zoals grafeen voor ziekte detectie. De hoofvoordelen zijn gevoeligheid, lage productiekosten en snelle detectie. Grafeen vertoont unieke mechanische en elektrochemische eigenschappen die het ideaal maken voor gevoelige elektrochemische sensoren. Het team creëerde een grafeen-gebaseerde elektrochemische biosensor met een elektrische uitleesopstelling om selectief de aanwezigheid van SARS-CoV-2 genetisch materiaal te detecteren.

Sensorcomponenten

De biosensor heeft twee componenten: een platform om een elektrische uitleesing te meten en sondes om de aanwezigheid van viraal RNA te detecteren. Om het platform te creëren, coatten onderzoekers filterpapier eerst met een laag grafeen-nanoplatelets om een geleidende film te maken. Vervolgens plaatsten ze een goud-elektrode met een vooraf gedefinieerd ontwerp bovenop het grafeen als contactpad voor elektrische uitleesing. Zowel goud als grafeen hebben hoge gevoeligheid en geleiding, wat dit platform ultrgevoelig maakt voor veranderingen in elektrische signalen.

Huidige RNA-gebaseerde COVID-19-tests screenen op de aanwezigheid van het N-gen (nucleocapside fosfoproteïne) op het SARS-CoV-2-virus. In dit onderzoek ontwierp het team antisense oligonucleotide (ASO) sondes om twee gebieden van het N-gen te targeten. Het targeten van twee gebieden waarborgt de betrouwbaarheid van de sensor voor het geval één gebied een genmutatie ondergaat. Goudnanodeeltjes (AuNP) worden afgekapt met deze single-stranded nucleic acids (ssDNA), wat een ultrgevoelige sensor-sonde voor SARS-CoV-2 RNA vertegenwoordigt.

De onderzoekers toonden eerder de gevoeligheid van de ontwikkelde sensor-sonden. De hybridisatie van het viraal RNA met deze sondes veroorzaakt een verandering in de elektrische respons van de sensor. De AuNP-kappen versnellen de elektronenoverdracht en wanneer uitgezonden over het sensorplatform, resulteert dit in een toename van het uitgangssignaal en duidt op de aanwezigheid van het virus.

Testresultaten en Toepassingen

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

Dit platform heeft verstrekkende toepassingen door de draagbaarheid en lage kosten. De sensor, geïntegreerd met microcontrollers en LED-schermen of met een smartphone via Bluetooth of WiFi, kan op het point-of-care in een huisartsenpraktijk of zelfs thuis gebruikt worden. Naast COVID-19 ziet het team het systeem ook als aanpasbaar voor detectie van veel verschillende ziekten.