Il rilevamento di batteri vitali è importante per vari campi, dalla sicurezza alimentare alla diagnosi medica. Le tecniche esistenti per condurre i test di sensibilità agli antibiotici (AST), testando che, Per esempio, consente agli operatori sanitari di prescrivere la dose corretta di antibiotici per una particolare infezione:sono lenti, richiedono personale specializzato o utilizzano strumenti ingombranti e costosi. Un nuovo sensore elettrochimico sviluppato dai ricercatori della Penn State ora può rendere questo processo più semplice, pur essendo a basso costo e portatile, e può monitorare direttamente i batteri vitali in campioni liquidi come sangue o latte.

"Il sangue è una soluzione molto complessa, " disse Aida Ebrahimi, assistente professore di ingegneria elettrica presso la School of Electrical Engineering and Computer Science della Penn State. "Ha vari componenti, compresi i globuli rossi e molte proteine, che effettuano il rilevamento di obiettivi specifici, come cellule batteriche vive, molto difficile. È anche otticamente opaco, il che rende difficile per i metodi ottici analizzare direttamente il sangue".

In contrasto, i sensori elettrochimici non sono limitati dall'opacità del campione. Però, i metodi elettrochimici esistenti per misurare la vitalità batterica richiedono la miscelazione di un reagente redox-attivo con il campione. Il reagente redox-attivo scambia elettroni con le cellule metabolizzanti. Però, un problema è che questo reagente può interferire con gli antibiotici. Inoltre, l'aggiunta di questi reagenti limita l'applicazione dei sensori per la rilevazione di batteri vivi, per esempio nello screening alimentare. Il nuovo metodo sviluppato dal gruppo Ebrahimi non richiede alcun agente aggiuntivo.

"Abbiamo sviluppato un cristallo redox-attivo, chiamato RZx, utilizzando un semplice metodo di elettrodeposizione che utilizza solo componenti organici, " Ha detto Ebrahimi. "Il processo per creare il materiale ha un costo molto basso e viene eseguito a temperatura ambiente e pH neutro, non acido o alcalino, il che lo rende molto sicuro e rispettoso dell'ambiente. Il cristallo organico consente il rilevamento diretto dell'attività metabolica batterica rilevando i cambiamenti di pH dovuti alla respirazione cellulare e rilevando piccole molecole rilasciate dalle cellule metabolizzate, vive".

I ricercatori hanno anche mostrato la versatilità del processo di produzione del sensore depositando RZx su una varietà di elettrodi, dagli elettrodi di carbonio serigrafati su carta agli elettrodi di grafene indotti da laser creati utilizzando una CO ₂ sistema di scrittura laser. Questa capacità di progettare e produrre geometrie arbitrarie è importante per la produzione scalabile e l'ingegneria dei dispositivi.

Mentre il team di Ebrahimi ha recentemente fatto altri sviluppi per l'AST rapido, i sensori basati su RZx sono portatili. Anche, nella loro precedente ricerca, hanno osservato il movimento dei batteri, mentre qui, stanno sondando l'attività metabolica delle cellule. Questo è vantaggioso perché a volte i batteri potrebbero non muoversi mentre stanno ancora metabolizzando, o "respirazione".

Ebrahimi ha anche notato che questo metodo potrebbe essere utilizzato non solo nella diagnosi medica ma anche per testare la qualità del cibo. Oltre alle analisi del sangue, i ricercatori hanno testato campioni di latte, poiché il test per i batteri vivi è importante per la sicurezza alimentare e i controlli di qualità. Lo stesso principio può essere applicato anche all'analisi dell'acqua per la sicurezza e il monitoraggio ambientale.

Al di là di queste opere, Ebrahimi sta anche esaminando future applicazioni per questo metodo.

"Per il futuro, stiamo cercando di espandere il lavoro per analizzare altri agenti patogeni microbici, come funghi, così come le applicazioni oltre AST, specialmente per medicazione intelligente delle ferite o cateteri intelligenti, poiché le infezioni batteriche in entrambe queste aree sono grossi problemi, " lei disse.

Il documento che discute questi risultati, "Strati cristallini organici redox-attivi per test di sensibilità agli antibiotici elettrochimici senza reagenti (ORACLE-AST), " è stato recentemente pubblicato sulla rivista Biosensori e Bioelettronica .