Быстрый бумажный сенсор обнаруживает COVID-19 менее чем за 5 минут

Поскольку пандемия COVID-19 продолжает распространяться по всему миру, тестирование остается ключевой стратегией для отслеживания и сдерживания вируса. Исследователи разработали быстрый, ультрачувствительный тест, используя бумажный электрохимический сенсор, который может обнаружить наличие вируса менее чем за пять минут.

На рынке есть две широкие категории тестов на COVID-19. Первая использует обратную транскриптазу реального времени полимеразную цепную реакцию (RT-PCR) и стратегии гибридизации нуклеиновых кислот для идентификации вирусного РНК. Некоторые недостатки включают количество времени, необходимое для завершения теста, потребность в специализированном персонале и доступность оборудования и реагентов. Вторая категория фокусируется на обнаружении антител; однако может быть задержка от нескольких дней до нескольких недель после того, как человек был экспонирован вирусу, для того чтобы они производили обнаруживаемые антитела.

В последние годы исследователи имели некоторый успех с созданием точечных биосенсоров с использованием 2D наноматериалов, таких как графен, для обнаружения болезней. Главные преимущества этих биосенсоров — их чувствительность, низкая стоимость производства и быстрый оборот обнаружения. Графен демонстрирует уникальные механические и электрохимические свойства, делающие его идеальным для разработки чувствительных электрохимических сенсоров. Команда создала графеновый электрохимический биосенсор с электрической схемой чтения для селективного обнаружения наличия генетического материала SARS-CoV-2.

Биосенсор имеет два компонента: платформу для измерения электрического чтения и зонды для обнаружения наличия вирусного РНК. Для создания платформы исследователи сначала покрыли фильтрующую бумагу слоем графеновых нанопластинок для создания проводящей пленки. Затем они разместили золотой электрод с предопределенным дизайном поверх графена как контактную площадку для электрического чтения. И золото, и графен имеют высокую чувствительность и проводимость, что делает эту платформу ультрачувствительной к обнаружению изменений в электрических сигналах.

Текущие РНК-тесты на COVID-19 скринят наличие N-гена (нуклеокапсидного фосфопротеина) на вирусе SARS-CoV-2. В этом исследовании команда спроектировала антисенс олигонуклеотидные (ASO) зонды для таргетинга двух регионов N-гена. Таргетинг двух регионов обеспечивает надежность сенсора в случае, если один регион подвергается генной мутации. Золотые наночастицы (AuNP) покрыты этими одноклассными нуклеиновыми кислотами (ssDNA), что представляет ультрачувствительный сенсорный зонд для РНК SARS-CoV-2.

Исследователи ранее показали чувствительность разработанных сенсорных зондов в более ранней работе. Гибридизация вирусного РНК с этими зондами вызывает изменение в электрическом ответе сенсора. Кэпы AuNP ускоряют перенос электронов и при трансляции через сенсорную платформу приводят к увеличению выходного сигнала и указывают на наличие вируса.

Команда протестировала производительность сенсора, используя COVID-19 положительные и отрицательные образцы. Сенсор показал значительное увеличение напряжения положительных образцов по сравнению с отрицательными и подтвердил наличие вирусного генетического материала менее чем за пять минут. Более того, сенсор смог дифференцировать вирусные РНК нагрузки в этих образцах. Вирусная нагрузка — важный количественный индикатор прогресса инфекции и вызов для измерения существующими диагностическими методами.

Эта платформа имеет далеко идущие применения благодаря своей переносимости и низкой стоимости. Сенсор, когда интегрирован с микроконтроллерами и LED-экранами или со смартфоном через Bluetooth или WiFi, может использоваться в точке заботы в врачебном кабинете или даже дома. Помимо COVID-19, команда также предвидит, что система может быть адаптирована для обнаружения многих разных болезней.