石墨烯和微小液滴建立的生物传感器 可检测胃癌致病菌

日前,大阪大学的研究人员发明了一种新的生物传感器,使用石墨烯——一种由一个原子厚的碳层组成的材料来检测细菌,例如那些攻击胃壁和与胃癌有关的细菌。

  生物传感器目前被用于医疗保健,以监测血糖;然而,它们也有潜力检测细菌。传感器专家网7月2日消息,日前,大阪大学的研究人员发明了一种新的生物传感器,使用石墨烯——一种由一个原子厚的碳层组成的材料来检测细菌,例如那些攻击胃壁和与胃癌有关的细菌。

石墨烯和微小液滴建立的生物传感器 可检测胃癌致病菌

经T.Ono等人许可,印制了研究设计和结果的示意图,“利用石墨烯场效应晶体管在女性微滴中进行生理离子强度下的电生物传感”

       石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料,并且拥有许多神奇的特性。在被当做场效应晶体管时,它可以检测施加在其表面是哪个的轻微物理力,因此特别适合针对微观样本的小诊断。

  当细菌与生物传感器相互作用时,会触发石墨烯检测到的化学反应。为了检测化学反应产物,研究人员使用微流体将细菌包含在靠近传感器表面的极微小的液滴中。

  为了让细菌粘住,研究人员用抗体覆盖石墨烯,这是一种将细菌固定在生物传感器表面的常见方法。然而,尽管抗体非常小(约10纳米),在原子尺度上,与石墨烯的原子薄层相比,它们实际上相当大和笨重。当细菌与抗体相互作用时,石墨烯不能直接检测到这些细菌,因为其表面的抗体阻止了信号;这种信号阻断效应被称为“德拜屏蔽”。

  为了克服“德拜屏蔽”的局限性,研究人员决定监测细菌在某些化学物质存在下的化学反应,这些化学物质被添加到微小的水滴中。反应中产生的化学物质比抗体小得多,很容易在它们之间滑动并到达石墨烯表面。通过分析微流体产生的微小液滴中的细菌,细菌及其反应产物可以保持在石墨烯表面附近,甚至可以随着时间的推移监测反应产物的浓度。

石墨烯和微小液滴建立的生物传感器 可检测胃癌致病菌

实验石墨烯场效应晶体管装置的显微镜图像。“利用石墨烯场效应晶体管在女性微滴中的生理离子强度电生物传感”

  “我们的生物传感器能够高度敏感和定量地检测导致胃溃疡和胃癌的细菌,通过限制其反应在一个明确的微体积,”研究合著者松本和彦说。

  石墨烯传感表面能够反馈电信号,这些电信号的变化取决于微滴中存在多少反应产物以及它积累的速度。这些电信号可以用来计算液滴中的细菌数量。石墨烯是在场效应晶体管(FET)结构中建立起来的,其作用是大幅增加石墨烯传感表面的电检测信号。

石墨烯和微小液滴建立的生物传感器 可检测胃癌致病菌

该装置对微滴中捕获的尿素酶的可重复电响应,“在Femtoliter微滴中使用石墨烯场效应晶体管在生理离子强度下进行电生物传感

  “我们的生物传感器本质上是一个石墨烯场效应晶体管的小型实验室。该传感器展示了石墨烯等二维材料如何越来越接近应用于实际医疗保健领域,”第一作者小野高雄说。

  这项研究的结果可以用来建立一个实验室对石墨烯-FET生物传感器,以检测各种不同的细菌。在不到30分钟的时间内就可以检测到微小的细菌浓度。因此,这项工作代表了将来更快地诊断潜在有害细菌的可能性。

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