Het Fraunhofer Instituut voor Micro-elektronische Circuits en Systemen IMS en Ruhr Universiteit Bochum, Duitsland, hebben een proces ontwikkeld dat een nieuwe vorm van signaalversterking voor diagnostische tests mogelijk maakt. Door het geavanceerde gebruik van lichtgevende enkelwandige koolstofnanobuisjes in de bioanalyse kunnen testprocedures gevoeliger, sneller en goedkoper worden uitgevoerd.

De sensoren kunnen worden gebruikt voor enzymatische processen. Hun aanpassingsvermogen aan verschillende reactieomstandigheden opent een breed scala aan toepassingen voor standaardmethoden zoals ELISA's, een afkorting van Enzyme-linked Immunosorbent Assay.

De resultaten zijn op 15 december 2023 gepubliceerd in Angewandte Chemie International Edition . Ze openen nieuwe mogelijkheden om diagnostische procedures te verbeteren en detectiemiddelen te besparen.

Diagnostische limieten kunnen worden verbeterd met een lichtgevende koolstofsensor

Veel diagnostische procedures gebruiken licht om de hoeveelheid van een bepaalde stof te detecteren. Dit kan een gekleurde stof zijn of een lichtgevende stof. Helaas zijn er veel achtergrondsignalen in het zichtbare lichtbereik. Om het optische signaal van een meting naar een beter spectraal bereik te verschuiven, gebruikten de onderzoekers koolstofbuizen met een diameter van minder dan één nanometer. Dit is ongeveer 100.000 keer dunner dan een mensenhaar.

De sensoren fluoresceren in het nabij-infraroodbereik, dat niet zichtbaar is voor het menselijk oog, en bleken niet. Bovendien is de fluorescentie van de sensoren gevoelig voor hun chemische omgeving als gevolg van een wijziging op hun oppervlak. Dit maakt het mogelijk om chemische reacties waar te nemen en reactieproducten te detecteren wanneer deze een interactie aangaan met het nanobuisje.

De fluorescentie van de nanobuisjes verschuift het signaal naar het nabij-infrarode bereik, wat, gecombineerd met de hoge gevoeligheid van de nanobuisjes, resulteert in een verschuiving van de detectielimiet. Dit is bijvoorbeeld belangrijk wanneer ziektemarkers in zeer lage concentraties aanwezig zijn bij een infectie of ziekte zoals kanker.

De mogelijkheid om de nanobuisjes aan te passen aan verschillende analyten opent een breed scala aan mogelijkheden, waaronder een toename van de gevoeligheid. Deze winst in gevoeligheid maakt een potentiële verschuiving van de detectielimieten mogelijk, wat kan leiden tot zowel materiaal- als tijdbesparingen in diagnostische processen. Deze innovatieve aanpak zou de efficiëntie van detectiemethoden in de medische diagnostiek aanzienlijk kunnen vergroten.

De groep demonstreerde dat het nieuwe sensorprincipe werkt met behulp van de substraten p-fenyleendiamine en tetramethylbenzidine voor het enzym mierikswortelperoxidase. "Dit enzym wordt gebruikt in verschillende biochemische detectiemethoden", legt Justus Metternich van het Fraunhofer IMS uit.

“In principe kan het concept echter op allerlei systemen worden toegepast. Zo hebben we bijvoorbeeld ook het enzym β-galactosidase onderzocht, dat interessant is voor diagnostische toepassingen. Met een paar aanpassingen zou het ook gebruikt kunnen worden in bioreacties. ."

In de toekomst is de groep van plan de sensoren aan te passen voor andere toepassingen. Afhankelijk van de toepassing zouden de sensoren bijvoorbeeld stabieler kunnen worden gemaakt met zogenaamde kwantumdefecten. "Dit zou vooral voordelig zijn als je niet alleen in eenvoudige waterige oplossingen wilt meten, maar ook enzymatische reacties wilt volgen in gecompliceerde omgevingen met cellen, in het bloed of in een bioreactor zelf", legt Sebastian Kruss, hoogleraar Fysische Chemie bij Ruhr Universiteit Bochum en hoofd van de Attract Group Biomedical Nanosensors bij het Fraunhofer IMS.

Meer informatie: Justus T. Metternich et al, Signal Amplification and Near-Infrared Translation of Enzymatic Reactions by Nanosensors, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202316965

Aangeboden door Ruhr-Universitaet-Bochum