Le proprietà uniche del foglio di carbonio spesso come un atomo, noto come grafene, hanno consentito un nuovo biosensore multiplex delle dimensioni di un penny che è il primo a rilevare i sottoprodotti degli oppioidi nelle acque reflue, un team di ricercatori del Boston College, della Boston University e di Giner Report sui laboratori nell'ultima edizione online della rivista ACS Nano .

Il nuovo dispositivo è il primo a utilizzare transistor a effetto di campo a base di grafene per rilevare quattro diversi oppioidi sintetici e naturali contemporaneamente, proteggendoli dagli elementi aggressivi delle acque reflue. Quando uno specifico metabolita oppioide si lega a una sonda molecolare sul grafene, cambia la carica elettrica sul grafene. Questi segnali sono facilmente leggibili elettronicamente per ogni sonda collegata al dispositivo.

"Questo nuovo sensore che abbiamo sviluppato è in grado di misurare in modo rapido, economico e semplice gli oppioidi nelle acque reflue", ha affermato Kenneth Burch, professore di fisica del Boston College, autore principale del rapporto. "La sua sensibilità e portabilità consentirebbero un'epidemiologia basata sulle acque reflue su scala locale, specifica come blocco per blocco o dormitorio per dormitorio, garantendo al contempo la privacy".

Il dispositivo risponde a una sfida primaria dell'epidemia di oppioidi:determinare la quantità e il tipo di farmaci utilizzati in una comunità. I problemi di privacy e le risorse limitate sono ostacoli alla verifica di popolazioni numerose. Un approccio alternativo è l'epidemiologia basata sulle acque reflue, simile al test delle acque reflue per misurare i livelli comunitari di infezione da coronavirus durante la pandemia.

"Il test delle acque reflue è una strategia emergente che può sconfiggere i limiti e lo stigma associati ai test antidroga individuali e fornisce una misura più obiettiva del consumo di droga a livello di quartiere", ha affermato Avni Argun, vicepresidente di Giner Labs per i materiali avanzati, co-leader di il progetto. "Sebbene i test sulle acque reflue siano stati ampiamente condotti in Europa, negli Stati Uniti esistono solo pochi studi. La natura rapida e portatile del dispositivo del team consentirebbe test sulla popolazione su larga scala a basso costo e con un'elevata risoluzione geografica".

Il lavoro del team di Argun presso i Giner Labs, a Newton, nel Massachusetts, è finanziato dal National Institute on Drug Abuse del NIH, che sta lavorando con i ricercatori per sviluppare strumenti per città intelligenti che aiuterebbero i programmi di sorveglianza della salute pubblica che affrontano l'uso e l'abuso di droghe. Ulteriori finanziamenti per il progetto sono arrivati ​​dalla National Science Foundation, dal National Institutes of Health e dall'Office of Naval Research.

Il prototipo del team potrebbe fornire uno strumento più economico e veloce per l'uso da parte dei funzionari della sanità pubblica che cercano di determinare il livello di consumo di oppioidi e l'impatto degli interventi terapeutici a livello di comunità.

Sebbene il grafene sia stato utilizzato in precedenza per rilevare campioni biologici, il lavoro del team è la prima dimostrazione che il materiale potrebbe essere utilizzato con le acque reflue, ha affermato Burch.

Inoltre, è la prima dimostrazione dell'utilizzo di transistor a effetto di campo a base di grafene, un dispositivo elettronico per leggere la quantità di carica, per rilevare più bersagli contemporaneamente, secondo il rapporto.

La svolta è stata resa possibile dalla progettazione e dall'implementazione della piattaforma GEMS (Electronic Multiplexed Sensor) al grafene, ha affermato Burch. La piattaforma consente il rilevamento di quattro diverse molecole bersaglio contemporaneamente, proteggendole dagli elementi aggressivi nelle acque reflue, i cui campioni sono stati forniti dal Mass. Alternative Septic System Test Center (MASSTC) a Cape Cod.

Il team ha dotato le sonde di grafene con "aptameri", filamenti di DNA progettati per attaccarsi solo a una molecola specifica, in questo caso i metaboliti di vari oppioidi nelle acque reflue. Quando l'aptamero si attacca al farmaco, si piega, portando più carica al grafene. La quantità di carica sul grafene viene monitorata per rilevare la presenza di uno specifico metabolita oppioide, ha affermato Burch.

"Questi aptameri erano attaccati ai nostri dispositivi al grafene e durante l'intrappolamento del farmaco la carica indotta sul grafene veniva letta elettronicamente", ha detto Burch. "Il nostro processo di fabbricazione e progettazione ha portato a un limite inferiore di rilevamento di un ordine di grandezza migliore rispetto ai rapporti precedenti con altri metodi."

Gli strumenti di campionamento precedenti hanno dovuto affrontare le limitazioni perché richiedevano la spedizione di campioni e le prove in un ambiente di laboratorio. Tali requisiti impongono costi che limitano un'ampia adozione e utilizzo in comunità senza risorse sufficienti. Superando questi limiti, il dispositivo al grafene può fornire un monitoraggio quasi in tempo reale in più posizioni, il che potrebbe anche aiutare a distribuire risorse come i primi soccorritori o strategie di intervento specifiche, ha affermato Burch.

"Questo è il primo sensore di questo tipo in grado di raggiungerlo con una configurazione così semplice e facile da usare:una singola piattaforma GEMS ha le dimensioni di un centesimo", ha aggiunto Burch.

Il successo di GEMS è il risultato di una collaborazione a lungo termine guidata da Burch, che ha riunito l'esperienza nel DNA del professore associato di biologia del Boston College Tim van Opijnen, la coltivazione del grafene del chimico dell'Università di Boston Xi Ling e l'esperienza nello sviluppo di saggi di biosensori di Argun e scienziati di Giner Labs.

Altri ricercatori del progetto includevano lo studente laureato del Boston College Michael Geiwitz, il ricercatore Narendra Kumar, lo studente universitario Matthew Catalan e il ricercatore post-dottorato Juan C. Ortiz-Marquez; Muhit Rana, Niazul Islam Khan, Andrew Weber e Badawi Dweik di Giner Labs; e lo studente laureato della BU Hikari Kitadai.

Burch ha detto che il team è rimasto sorpreso da quanto bene il dispositivo abbia resistito al duro ambiente delle acque reflue. Ha affermato che il suo laboratorio sta lavorando con Giner Labs nell'ambito del finanziamento NIDA per la ricerca sull'innovazione per le piccole imprese (SBIR) per sviluppare i dispositivi per un eventuale uso commerciale.

"Stiamo anche lavorando per vedere per cos'altro può essere utilizzata la piattaforma, come test rapidi a casa delle infezioni virali e/o presenza di agenti patogeni nelle acque reflue", ha affermato Burch. + Esplora ulteriormente

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