De unieke eigenschappen van de atoomdikke koolstoflaag, bekend als grafeen, hebben een nieuwe, penny-sized, gemultiplexte biosensor mogelijk gemaakt die de eerste is die opioïde bijproducten in afvalwater detecteert, een team van onderzoekers van Boston College, Boston University en Giner Labs rapporteert in de nieuwste online editie van het tijdschrift ACS Nano .

Het nieuwe apparaat is het eerste dat op grafeen gebaseerde veldeffecttransistoren gebruikt om vier verschillende synthetische en natuurlijke opioïden tegelijk te detecteren, terwijl ze worden afgeschermd van de agressieve elementen van afvalwater. Wanneer een specifieke opioïde metaboliet zich hecht aan een moleculaire sonde op het grafeen, verandert het de elektrische lading op het grafeen. Deze signalen kunnen gemakkelijk elektronisch worden gelezen voor elke sonde die op het apparaat is aangesloten.

"Deze nieuwe sensor die we hebben ontwikkeld, is in staat om snel, goedkoop en gemakkelijk opioïden in afvalwater te meten", zegt Boston College Professor of Physics Kenneth Burch, een hoofdauteur van het rapport. "De gevoeligheid en draagbaarheid ervan zou op lokale schaal op afvalwater gebaseerde epidemiologie mogelijk maken - zo specifiek als blok-voor-blok of slaapzaal-voor-slaapzaal - terwijl de privacy wordt gewaarborgd."

Het apparaat beantwoordt een primaire uitdaging van de opioïde-epidemie:het bepalen van de hoeveelheid en het soort drugs dat in een gemeenschap wordt gebruikt. Bezorgdheid over de privacy en beperkte middelen zijn belemmeringen voor het testen van grote populaties. Een alternatieve benadering is op afvalwater gebaseerde epidemiologie, vergelijkbaar met het testen van afvalwater om de mate van coronavirusinfectie in de gemeenschap tijdens de pandemie te meten.

"Afvalwatertesten is een opkomende strategie die de beperkingen en stigma's die gepaard gaan met individuele drugstests kan doorbreken, en het biedt een meer objectieve maatstaf voor drugsgebruik op buurtniveau", zegt Avni Argun, vicevoorzitter van Giner Labs voor Advanced Materials, een co-leider van het project. "Hoewel het testen van afvalwater op grote schaal is uitgevoerd in Europa, bestaan ​​er slechts enkele onderzoeken in de VS. Het snelle en draagbare karakter van het apparaat van het team zou grootschalige populatietesten mogelijk maken tegen lage kosten en met een hoge geografische resolutie."

Het werk van het team van Argun bij Giner Labs, in Newton, Massachusetts, wordt gefinancierd door het National Institute on Drug Abuse van de NIH, dat samen met onderzoekers werkt aan de ontwikkeling van slimme stadstools die ondersteuning bieden bij programma's voor toezicht op de volksgezondheid bij het aanpakken van drugsgebruik en -misbruik. Aanvullende financiering voor het project kwam van de National Science Foundation, National Institutes of Health en het Office of Naval Research.

Het prototype van het team zou een goedkoper en sneller hulpmiddel kunnen zijn voor gebruik door volksgezondheidsfunctionarissen die proberen het niveau van opioïdengebruik en de impact van behandelingsinterventies in de hele gemeenschap te bepalen.

Hoewel grafeen eerder is gebruikt voor het detecteren van biologische monsters, is het werk van het team de eerste demonstratie dat het materiaal kan worden gebruikt met afvalwater, zei Burch.

Bovendien is het volgens het rapport de eerste demonstratie van het gebruik van op grafeen gebaseerde veldeffecttransistoren, een elektronisch apparaat om de hoeveelheid lading te lezen, om meerdere doelen tegelijkertijd te detecteren.

De doorbraak werd mogelijk gemaakt door het ontwerp en de implementatie van het grafeen electronic multiplexed sensor (GEMS) platform, zei Burch. Het platform maakt de detectie van vier verschillende doelmoleculen tegelijk mogelijk, terwijl ze worden afgeschermd tegen agressieve elementen in afvalwater, waarvan monsters zijn geleverd door het Mass. Alternative Septic System Test Center (MASSTC) op Cape Cod.

Het team voorzag de grafeensondes van "aptameren", DNA-strengen die zijn ontworpen om alleen aan een specifiek molecuul te hechten - in dit geval metabolieten van verschillende opioïden in afvalwater. Wanneer het aptamer zich aan het medicijn hecht, vouwt het zich op, waardoor grafeen meer lading krijgt. De hoeveelheid lading op het grafeen wordt gecontroleerd om de aanwezigheid van een specifieke opioïde metaboliet te detecteren, zei Burch.

"Deze aptameren waren bevestigd aan onze grafeenapparaten en bij het vangen van het medicijn werd de geïnduceerde lading op het grafeen elektronisch afgelezen," zei Burch. "Ons fabricageproces en ontwerp resulteerde in een lagere detectielimiet, een orde van grootte beter dan eerdere rapporten met andere methoden."

Eerdere bemonsteringstools hadden te maken met beperkingen omdat ze de verzending van monsters en testen in een laboratoriumomgeving vereisten. Die vereisten brengen kosten met zich mee die brede acceptatie en gebruik in gemeenschappen zonder voldoende middelen beperken. Door die limieten te overschrijden, kan het grafeenapparaat bijna realtime monitoring bieden op meerdere locaties, wat ook zou kunnen helpen bij het distribueren van middelen zoals eerstehulpverleners of specifieke interventiestrategieën, zei Burch.

"Dit is de eerste dergelijke sensor die dit kan bereiken met zo'n eenvoudige en gebruiksvriendelijke installatie - een enkel GEMS-platform is zo groot als een cent", voegde Burch eraan toe.

Het succes van GEMS was het resultaat van een langdurige samenwerking onder leiding van Burch, waarbij de DNA-expertise van de Boston College Associate Professor of Biology Tim van Opijnen, de grafeenteelt door de scheikundige Xi Ling van de Boston University en de ontwikkelingsexpertise van Argun en wetenschappers van Giner Labs.

Andere onderzoekers van het project waren Michael Geiwitz, een afgestudeerde student aan het Boston College, onderzoekswetenschapper Narendra Kumar, niet-gegradueerde Matthew Catalan en postdoctoraal onderzoeker Juan C. Ortiz-Marquez; Giner Labs' Muhit Rana, Niazul Islam Khan, Andrew Weber en Badawi Dweik; en BU-afstudeerstudent Hikari Kitadai.

Burch zei dat het team verbaasd was over hoe goed het apparaat bestand was tegen de barre afvalwateromgeving. Hij zei dat zijn lab samenwerkt met Giner Labs in het kader van financiering van het NIDA small business innovation research (SBIR) om de apparaten te ontwikkelen voor eventueel commercieel gebruik.

"We zijn ook aan het kijken waar het platform nog meer voor kan worden gebruikt, zoals het snel thuis testen van virale infecties en/of de aanwezigheid van ziekteverwekkers in afvalwater," zei Burch. + Verder verkennen

Grafeen ondersteunt een nieuw platform om selectief dodelijke bacteriestammen te identificeren