Biosensoren worden momenteel gebruikt in de gezondheidszorg om de bloedglucose te controleren; echter, ze hebben ook het potentieel om bacteriën te detecteren. Onderzoekers van de Universiteit van Osaka hebben een nieuwe biosensor uitgevonden met behulp van grafeen - een materiaal dat bestaat uit een één atoom dikke laag koolstof - om bacteriën te detecteren zoals bacteriën die de maagwand aantasten en die in verband worden gebracht met maagkanker. Wanneer de bacteriën interageren met de biosensor, chemische reacties worden geactiveerd die worden gedetecteerd door het grafeen. Om detectie van de chemische reactieproducten mogelijk te maken, de onderzoekers gebruikten microfluidica om de bacteriën in extreem kleine druppeltjes dicht bij het sensoroppervlak te houden.

Om de bacteriën te laten kleven, de onderzoekers bedekten het grafeen met antistoffen, een gebruikelijke manier om bacteriën aan biosensoroppervlakken te verankeren. Echter, hoewel antilichamen erg klein zijn (~ 10 nm), op atomaire schaal en vergeleken met de atoomdunne laag grafeen, ze zijn eigenlijk vrij groot en omvangrijk. Terwijl de bacteriën interageren met de antilichamen, het grafeen kan die bacteriën niet direct detecteren omdat de antilichamen op het oppervlak het signaal blokkeren; dit signaalblokkerende effect wordt Debye-screening genoemd.

Om de screeningbeperking van Debye te overwinnen, de onderzoekers besloten in plaats daarvan de chemische reacties te volgen die door de bacteriën worden uitgevoerd in de aanwezigheid van bepaalde chemicaliën, die ze aan de kleine waterdruppel toevoegden. De chemicaliën die bij de reacties worden geproduceerd, zijn veel kleiner dan de antilichamen en kunnen er gemakkelijk tussen glijden en het grafeenoppervlak bereiken. Door alleen de bacteriën te analyseren in kleine druppeltjes die worden gegenereerd door microfluïdica, de bacteriën en hun reactieproducten kunnen dicht bij het grafeenoppervlak worden gehouden en de concentratie van de reactieproducten kan zelfs in de tijd worden gevolgd.

"Onze biosensor maakt zeer gevoelige en kwantitatieve detectie mogelijk van bacteriën die maagzweren en maagkanker veroorzaken door de reactie ervan te beperken in een goed gedefinieerd microvolume, " zegt co-auteur Kazuhiko Matsumoto.

Het detectieoppervlak van grafeen kan elektrische signalen terugkoppelen die variëren afhankelijk van hoeveel van het reactieproduct in de microdruppel aanwezig is en hoe snel het zich ophoopt. Deze elektrische signalen kunnen worden gebruikt om het aantal bacteriën in de druppel te berekenen. Het grafeen is opgesteld in een veldeffecttransistor (FET) structuur, waarvan de rol is om de elektrische detectiesignalen van het detectieoppervlak van grafeen drastisch te verhogen.

"Onze biosensor is in wezen een minilaboratorium op een grafeen-FET. Deze sensor laat zien hoe tweedimensionale materialen zoals grafeen steeds meer worden toegepast in praktische medische en gezondheidszorgtoepassingen, " zegt eerste auteur Takao Ono.

De resultaten van het onderzoek kunnen worden gebruikt om een ​​hele reeks van deze lab-on-a-grafeen-FET-biosensoren te creëren om verschillende bacteriën te detecteren. De detectie van kleine concentraties bacteriën kon in minder dan 30 minuten worden bereikt; Vandaar, dit werk vertegenwoordigt de mogelijkheid van snellere diagnoses voor potentieel schadelijke bacteriën in de toekomst.