Het opsporen van levensvatbare bacteriën is belangrijk voor verschillende vakgebieden, van voedselveiligheid tot medische diagnose. De bestaande technieken om antibioticagevoeligheidstests (AST) uit te voeren - testen dat, bijvoorbeeld, stelt zorgverleners in staat om de juiste dosis antibiotica voor een bepaalde infectie voor te schrijven - zijn traag, geschoold personeel nodig hebben of omvangrijke en dure instrumenten gebruiken. Een nieuwe elektrochemische sensor ontwikkeld door Penn State-onderzoekers kan dat proces nu eenvoudiger maken, terwijl het goedkoop en draagbaar is, en kan levensvatbare bacteriën in vloeibare monsters zoals bloed of melk direct controleren.

"Bloed is een zeer complexe oplossing, " zei Aida Ebrahimi, assistent-professor elektrotechniek aan Penn State's School of Electrical Engineering and Computer Science. "Het heeft verschillende componenten, waaronder rode bloedcellen en veel eiwitten, die detectie van specifieke doelen mogelijk maken, zoals levende bacteriële cellen, erg moeilijk. Het is ook optisch ondoorzichtig, wat het voor optische methoden een uitdaging maakt om bloed direct te analyseren."

In tegenstelling tot, elektrochemische sensoren worden niet beperkt door de ondoorzichtigheid van het monster. Echter, de bestaande elektrochemische methoden voor het meten van de levensvatbaarheid van bacteriën vereisen het mengen van een redox-actief reagens met het monster. Het redox-actieve reagens wisselt elektronen uit met metaboliserende cellen. Echter, een probleem is dat dit reagens de antibiotica kan verstoren. Bovendien, de toevoeging van deze reagentia beperkt de toepassing van de sensoren voor het detecteren van levende bacteriën, bijvoorbeeld bij voedselscreening. De nieuwe methode ontwikkeld door de Ebrahimi-groep vereist geen extra middel.

"We hebben een redox-actief kristal ontwikkeld, genaamd RZx, met behulp van een eenvoudige elektrodepositiemethode die alleen organische componenten gebruikt, "Zei Ebrahimi. "Het proces om het materiaal te maken is zeer goedkoop en wordt gedaan bij kamertemperatuur en neutrale pH - niet zuur of alkalisch - waardoor het zeer veilig en milieuvriendelijk is. Het organische kristal maakt directe detectie van bacteriële metabolische activiteit mogelijk door de pH-veranderingen als gevolg van celademhaling waar te nemen en door kleine moleculen te detecteren die vrijkomen bij het metaboliseren van levende cellen."

De onderzoekers toonden ook de veelzijdigheid van het productieproces van sensoren aan door RZx op verschillende elektroden aan te brengen, van gezeefdrukte koolstofelektroden op papier tot lasergeïnduceerde grafeenelektroden gemaakt met behulp van een CO ₂ laserschrijfsysteem. Dit vermogen om willekeurige geometrieën te ontwerpen en te vervaardigen is belangrijk voor schaalbare productie en apparaatengineering.

Hoewel het team van Ebrahimi onlangs andere ontwikkelingen heeft doorgevoerd voor snelle AST, de op RZx gebaseerde sensoren zijn draagbaar. Ook, in hun eerdere onderzoek, ze keken naar de beweging van bacteriën, overwegende dat hier, ze onderzoeken celmetabolische activiteit. Dit is voordelig omdat bacteriën soms niet bewegen terwijl ze nog steeds metaboliseren, of 'ademen'.

Ebrahimi merkte ook op dat deze methode niet alleen kan worden gebruikt bij medische diagnoses, maar ook om de voedselkwaliteit te testen. Naast het testen van bloed, de onderzoekers testten melkmonsters, aangezien het testen op levende bacteriën belangrijk is bij voedselveiligheid en kwaliteitscontroles. Hetzelfde principe kan ook worden toegepast bij het testen van water op milieuveiligheid en monitoring.

Buiten deze werken, Ebrahimi kijkt ook naar toekomstige toepassingen voor deze methode.

"Voor de toekomst, we onderzoeken de uitbreiding van het werk om andere microbiële pathogenen te analyseren, zoals schimmels, evenals toepassingen buiten AST, speciaal voor slim wondverband of slimme katheters, aangezien bacteriële infecties in beide gebieden grote problemen zijn, " ze zei.

Het artikel waarin deze resultaten worden besproken, "Organische redox-actieve kristallijne lagen voor reagensvrije elektrochemische gevoeligheidstesten voor antibiotica (ORACLE-AST), " is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Biosensoren en bio-elektronica .