De toekomst zou draagbare en draagbare sensoren kunnen bevatten voor het detecteren van virussen en bacteriën in de omgeving. Maar we zijn er nog niet. Wetenschappers van de Tohoku University hebben materialen bestudeerd die mechanische energie kunnen veranderen in elektrische of magnetische energie. en vice versa, al decenia. Samen met collega's, ze publiceerden een recensie in het tijdschrift Geavanceerde materialen over de meest recente pogingen om deze materialen te gebruiken om functionele biosensoren te fabriceren.

"Onderzoek naar het verbeteren van de prestaties van virussensoren is de afgelopen jaren niet veel gevorderd, ", zegt materiaalingenieur Fumio Narita van Tohoku University. "Onze beoordeling is bedoeld om jonge onderzoekers en afgestudeerde studenten te helpen de nieuwste vooruitgang te begrijpen om hun toekomstige werk voor het verbeteren van de gevoeligheid van virussensoren te begeleiden."

Piëzo-elektrische materialen zetten mechanische energie om in elektrische energie. Antilichamen die een interactie aangaan met een specifiek virus kunnen op een elektrode worden geplaatst die op een piëzo-elektrisch materiaal is ingebouwd. Wanneer het doelvirus interageert met de antilichamen, het veroorzaakt een toename in massa die de frequentie van de elektrische stroom die door het materiaal beweegt, vermindert, signalering van zijn aanwezigheid. Dit type sensor wordt onderzocht voor het detecteren van verschillende virussen, waaronder het baarmoederhalskanker-veroorzakende humaan papillomavirus, hiv, griep A, Ebola en hepatitis B.

Magnetostrictieve materialen zetten mechanische energie om in magnetische energie en omgekeerd. Deze zijn onderzocht voor het detecteren van bacteriële infecties, zoals tyfus en varkenspest, en voor het opsporen van miltvuursporen. Proberende antilichamen worden gefixeerd op een biosensorchip die op het magnetostrictieve materiaal is geplaatst en vervolgens wordt een magnetisch veld aangelegd. Als het beoogde antigeen een interactie aangaat met de antilichamen, het voegt massa toe aan het materiaal, wat leidt tot een magnetische fluxverandering die kan worden gedetecteerd met behulp van een opneemspoel.

Narita zegt dat ontwikkelingen in kunstmatige intelligentie en simulatiestudies kunnen helpen bij het vinden van nog gevoeligere piëzo-elektrische en magnetostrictieve materialen voor het detecteren van virussen en andere pathogenen. Toekomstige materialen kunnen spoelloos zijn, draadloze, en zacht, waardoor ze verwerkt kunnen worden in stoffen en gebouwen.

Wetenschappers onderzoeken zelfs hoe deze en soortgelijke materialen kunnen worden gebruikt om SARS-CoV-2 te detecteren, het virus dat COVID-19 veroorzaakt, in de lucht. Dit soort sensor kan worden ingebouwd in ventilatiesystemen voor ondergronds transport, bijvoorbeeld, om de verspreiding van virussen in realtime te volgen. Draagbare sensoren kunnen mensen ook wegleiden uit een virusbevattende omgeving.

"Wetenschappers moeten nog effectievere en betrouwbaardere sensoren ontwikkelen voor virusdetectie, met een hogere gevoeligheid en nauwkeurigheid, kleiner formaat en gewicht, en betere betaalbaarheid, voordat ze kunnen worden gebruikt in huishoudelijke toepassingen of slimme kleding, ", zegt Narita. "Dit soort virussensor zal realiteit worden met verdere ontwikkelingen in materiaalwetenschap en technologische vooruitgang in kunstmatige intelligentie, machinaal leren, en data-analyse."