Сенсор на бумажной основе обнаруживает COVID-19 за считанные минуты

Поскольку пандемия COVID-19 продолжает распространяться по всему миру, тестирование остается ключевой стратегией для отслеживания и сдерживания вируса. Исследователи разработали быстрый сверхчувствительный тест с использованием бумажного электрохимического датчика, который может обнаружить присутствие вируса менее чем за пять минут.

На рынке представлены две широкие категории тестов на COVID-19. Первый использует полимеразную цепную реакцию с обратной транскриптазой в реальном времени (RT-PCR) и стратегии гибридизации нуклеиновых кислот для идентификации вирусной РНК. Некоторые недостатки включают время, необходимое для завершения теста, потребность в специализированном персонале и доступность оборудования и реагентов. Вторая категория фокусируется на обнаружении антител; однако после того, как человек подвергся воздействию вируса, может пройти от нескольких дней до нескольких недель, прежде чем он выработает обнаруживаемые антитела.

В последние годы исследователи добились определенных успехов в создании биосенсоров для оказания медицинской помощи с использованием 2D-наноматериалов, таких как графен, для обнаружения заболеваний. Основными преимуществами этих биосенсоров являются их чувствительность, низкая стоимость производства и быстрота обнаружения. Графен обладает уникальными механическими и электрохимическими свойствами, что делает его идеальным для разработки чувствительных электрохимических сенсоров. Команда создала электрохимический биосенсор на основе графена с настройкой электрического считывания для выборочного обнаружения присутствия генетического материала SARS-CoV-2.

Биосенсор состоит из двух компонентов:платформы для измерения электрических показаний и зондов для обнаружения присутствия вирусной РНК. Чтобы создать платформу, исследователи сначала покрыли фильтровальную бумагу слоем графеновых нанопластинок, чтобы создать проводящую пленку. Затем они поместили золотой электрод с заранее заданным дизайном поверх графена в качестве контактной площадки для считывания электрических данных. И золото, и графен обладают высокой чувствительностью и проводимостью, что делает эту платформу сверхчувствительной для обнаружения изменений в электрических сигналах.

Текущие тесты на COVID-19 на основе РНК проверяют наличие N-гена (нуклеокапсидного фосфопротеина) в вирусе SARS-CoV-2. В этом исследовании команда разработала антисмысловые олигонуклеотидные (ASO) зонды для нацеливания на две области N-гена. Ориентация на две области обеспечивает надежность сеньора в случае, если одна область подвергнется генной мутации. Наночастицы золота (AuNP) покрыты этими одноцепочечными нуклеиновыми кислотами (оцДНК), которые представляют собой сверхчувствительный сенсорный зонд для РНК SARS-CoV-2.

Исследователи ранее показали чувствительность разработанных сенсорных зондов в более ранней работе. Гибридизация вирусной РНК с этими зондами вызывает изменение электрического отклика сенсора. Колпачки AuNP ускоряют перенос электронов и при передаче через сенсорную платформу приводят к увеличению выходного сигнала и указывают на присутствие вируса.

Команда проверила работу датчика, используя положительные и отрицательные образцы COVID-19. Датчик показал значительное увеличение напряжения положительных образцов по сравнению с отрицательными и подтвердил наличие вирусного генетического материала менее чем за пять минут. Кроме того, датчик смог дифференцировать вирусную РНК в этих образцах. Вирусная нагрузка — важный количественный показатель прогрессирования инфекции, который сложно измерить с помощью существующих методов диагностики.

Эта платформа имеет широкое применение благодаря своей портативности и низкой стоимости. Датчик, интегрированный с микроконтроллерами и светодиодными экранами или со смартфоном через Bluetooth или Wi-Fi, можно использовать в пункте оказания медицинской помощи в кабинете врача или даже дома. Помимо COVID-19, команда также предполагает, что систему можно будет адаптировать для выявления множества различных заболеваний.