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- 石墨烯傳感器快速檢測(cè)廢水中的阿片類代謝物
- 來(lái)源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2022/3/25
由波士頓學(xué)院、吉納實(shí)驗(yàn)室和波士頓大學(xué)的研究人員開發(fā)的石墨烯電子多路復(fù)用傳感器 (GEMS) 平臺(tái)能夠同時(shí)檢測(cè)廢水樣品中四種不同的目標(biāo)阿片類藥物衍生分子。來(lái)源：ACS Nano（2022）。DOI: 10.1021/acsnano.1c07094
來(lái)自波士頓學(xué)院、波士頓大學(xué)和 Giner 的一組研究人員發(fā)現(xiàn)，被稱為石墨烯的原子厚碳片的獨(dú)特特性使一種新的便士大小的多路復(fù)用生物傳感器成為第一個(gè)檢測(cè)廢水中阿片類藥物副產(chǎn)物的新型傳感器實(shí)驗(yàn)室在最新的在線版ACS Nano雜志上進(jìn)行了報(bào)告。
這種新穎的設(shè)備是第一個(gè)使用基于石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)晶體管同時(shí)檢測(cè)四種不同的合成和天然阿片類藥物，同時(shí)保護(hù)它們免受廢水中有害元素的影響。當(dāng)特定的阿片類代謝物附著在石墨烯上的分子探針上時(shí)，它會(huì)改變石墨烯上的電荷。對(duì)于連接到設(shè)備的每個(gè)探頭，這些信號(hào)很容易以電子方式讀取。
“我們開發(fā)的這種新傳感器能夠快速、廉價(jià)且輕松地測(cè)量廢水中的阿片類藥物，”該報(bào)告的主要作者、波士頓學(xué)院物理學(xué)教授 Kenneth Burch 說(shuō)�！八拿舾行院涂梢浦残詫⒃试S在當(dāng)?shù)胤秶鷥?nèi)進(jìn)行基于廢水的流行病學(xué)——具體到逐個(gè)街區(qū)或逐個(gè)宿舍——同時(shí)確保隱私。”
該設(shè)備應(yīng)對(duì)阿片類藥物流行的主要挑戰(zhàn)：確定社區(qū)中使用的藥物的數(shù)量和種類。隱私問(wèn)題和有限的資源是測(cè)試大量人群的障礙。另一種方法是基于廢水的流行病學(xué)，類似于測(cè)試廢水以測(cè)量大流行期間社區(qū)的冠狀病毒感染水平。
“廢水檢測(cè)是一種新興策略，可以克服與個(gè)人藥物檢測(cè)相關(guān)的限制和污名，它提供了在社區(qū)層面更客觀的藥物使用衡量標(biāo)準(zhǔn)，”Giner Labs 高級(jí)材料副總裁 Avni Argun 說(shuō)，他是該項(xiàng)目。“雖然廢水測(cè)試已在歐洲廣泛進(jìn)行，但在美國(guó)只有少數(shù)研究存在。該團(tuán)隊(duì)設(shè)備的快速和便攜特性將允許以低成本和高地理分辨率進(jìn)行大規(guī)模人口測(cè)試�！�
Argun 在馬薩諸塞州牛頓市 Giner 實(shí)驗(yàn)室的工作由 NIH 的國(guó)家藥物濫用研究所資助，該研究所正在與研究人員合作開發(fā)智能城市工具，以幫助解決藥物使用和濫用問(wèn)題的公共衛(wèi)生監(jiān)測(cè)計(jì)劃。該項(xiàng)目的額外資金來(lái)自美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和海軍研究辦公室。
該團(tuán)隊(duì)的原型可以為試圖確定阿片類藥物使用水平和社區(qū)范圍治療干預(yù)影響的公共衛(wèi)生官員提供一種更便宜、更快捷的工具。
Burch 說(shuō)，雖然石墨烯以前曾被用于傳感生物樣本，但該團(tuán)隊(duì)的工作是首次證明該材料可用于廢水。
此外，該報(bào)告稱，這是首次使用基于石墨烯的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（一種讀取電荷量的電子設(shè)備）來(lái)同時(shí)檢測(cè)多個(gè)目標(biāo)。
Burch 說(shuō)，這一突破是通過(guò)石墨烯電子多路復(fù)用傳感器 (GEMS) 平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)現(xiàn)的。該平臺(tái)能夠一次感應(yīng)四種不同的目標(biāo)分子，同時(shí)保護(hù)它們免受廢水中的苛刻元素的影響，廢水中的樣品由位于科德角的 Mass. Alternative Septic System Test Center (MASSTC) 提供。
該團(tuán)隊(duì)為石墨烯探針配備了“適體”，即設(shè)計(jì)為僅附著在特定分子上的 DNA 鏈——在這種情況下，是廢水中各種阿片類藥物的代謝物。當(dāng)適配體附著在藥物上時(shí)，它會(huì)折疊，給石墨烯帶來(lái)更多的電荷。Burch 說(shuō)，監(jiān)測(cè)石墨烯上的電荷量以檢測(cè)特定阿片類代謝物的存在。
“這些適體連接到我們的石墨烯設(shè)備上，當(dāng)捕獲藥物時(shí)，石墨烯上的感應(yīng)電荷被電子讀取，”Burch 說(shuō)�！拔覀兊闹圃旃に嚭驮O(shè)計(jì)使檢測(cè)下限比以前的其他方法報(bào)告的要好一個(gè)數(shù)量級(jí)�！�
以前的采樣工具面臨著局限性，因?yàn)樗鼈冃枰趯?shí)驗(yàn)室環(huán)境中運(yùn)送樣品和測(cè)試。這些要求帶來(lái)的成本限制了在沒(méi)有足夠資源的社區(qū)中的廣泛采用和使用。Burch 說(shuō)，通過(guò)克服這些限制，石墨烯設(shè)備可以在多個(gè)位置提供近乎實(shí)時(shí)的監(jiān)控，這也可以幫助分配資源，例如急救人員或特定的干預(yù)策略。
“這是第一個(gè)可以通過(guò)如此簡(jiǎn)單易用的設(shè)置實(shí)現(xiàn)它的傳感器——單個(gè) GEMS 平臺(tái)只有一分錢那么大，”Burch 補(bǔ)充道。
GEMS 的成功源于 Burch 領(lǐng)導(dǎo)的長(zhǎng)期合作，匯集了波士頓大學(xué)生物學(xué)副教授 Tim van Opijnen 的 DNA 專業(yè)知識(shí)、波士頓大學(xué)化學(xué)家 Xi Ling 的石墨烯培養(yǎng)以及 Argun 和來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家的生物傳感器分析開發(fā)專業(yè)知識(shí)吉納實(shí)驗(yàn)室。
該項(xiàng)目的其他研究人員包括波士頓學(xué)院研究生 Michael Geiwitz、研究科學(xué)家 Narendra Kumar、本科生 Matthew Catalan 和博士后研究員 Juan C. Ortiz-Marquez；Giner Labs 的 Muhit Rana、Niazul Islam Khan、Andrew Weber 和 Badawi Dweik；和BU研究生Hikari Kitadai。
Burch 說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)對(duì)該設(shè)備經(jīng)受住惡劣廢水環(huán)境的能力感到驚訝。他說(shuō)，他的實(shí)驗(yàn)室正在 NIDA 小型企業(yè)創(chuàng)新研究 (SBIR) 資助下與 Giner Labs 合作，以開發(fā)最終用于商業(yè)用途的設(shè)備。
Burch 說(shuō)：“我們還在努力研究該平臺(tái)還可用于什么其他用途，例如快速在家檢測(cè)病毒感染和/或廢水中是否存在病原體。”
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