I biosensori sono attualmente utilizzati in ambito sanitario per monitorare la glicemia; però, hanno anche il potenziale per rilevare i batteri. I ricercatori dell'Università di Osaka hanno inventato un nuovo biosensore che utilizza il grafene, un materiale costituito da uno strato di carbonio dello spessore di un atomo, per rilevare batteri come quelli che attaccano il rivestimento dello stomaco e che sono stati collegati al cancro dello stomaco. Quando i batteri interagiscono con il biosensore, si innescano reazioni chimiche che vengono rilevate dal grafene. Per consentire il rilevamento dei prodotti della reazione chimica, i ricercatori hanno utilizzato la microfluidica per contenere i batteri in goccioline estremamente piccole vicino alla superficie del sensore.

Per far attaccare i batteri, i ricercatori hanno coperto il grafene con anticorpi, un modo comune per ancorare i batteri alle superfici dei biosensori. Però, sebbene gli anticorpi siano molto piccoli (~10 nm), su scala atomica e confrontato con lo strato sottilissimo di grafene, in realtà sono abbastanza grandi e ingombranti. Mentre i batteri interagiscono con gli anticorpi, il grafene non può rilevare direttamente quei batteri poiché gli anticorpi sulla sua superficie bloccano il segnale; questo effetto di blocco del segnale è indicato come screening di Debye.

Per superare la limitazione dello screening di Debye, i ricercatori hanno invece deciso di monitorare le reazioni chimiche in atto dai batteri in presenza di determinate sostanze chimiche, che hanno aggiunto alla minuscola goccia d'acqua. Le sostanze chimiche prodotte nelle reazioni sono molto più piccole degli anticorpi e possono scivolare facilmente tra di loro e raggiungere la superficie del grafene. Analizzando solo i batteri in minuscole goccioline generate attraverso la microfluidica, i batteri ed i loro prodotti di reazione possono essere mantenuti vicini alla superficie del grafene e la concentrazione dei prodotti di reazione può anche essere monitorata nel tempo.

"Il nostro biosensore consente il rilevamento altamente sensibile e quantitativo dei batteri che causano ulcere allo stomaco e cancro allo stomaco, limitando la sua reazione in un microvolume ben definito, ", afferma il coautore dello studio Kazuhiko Matsumoto.

La superficie di rilevamento del grafene è in grado di inviare segnali elettrici che variano a seconda della quantità di prodotto di reazione presente nella microgoccia e della velocità con cui si accumula. Questi segnali elettrici possono essere utilizzati per calcolare il numero di batteri nella gocciolina. Il grafene è impostato in una struttura a transistor ad effetto di campo (FET), il cui ruolo è quello di aumentare drasticamente i segnali di rilevamento elettrico dalla superficie di rilevamento del grafene.

"Il nostro biosensore è essenzialmente un mini laboratorio su un FET al grafene. Questo sensore dimostra come i materiali bidimensionali come il grafene si stiano avvicinando all'applicazione in applicazioni mediche e sanitarie pratiche, " dice il primo autore Takao Ono.

I risultati dello studio possono essere utilizzati per creare un'intera serie di questi biosensori FET lab-on-a-grafene per rilevare vari batteri diversi. La rilevazione di minuscole concentrazioni di batteri potrebbe essere ottenuta in meno di 30 minuti; quindi, questo lavoro rappresenta la possibilità di diagnosi più rapide per i batteri potenzialmente dannosi in futuro.