Чтобы бактерии прижились, исследователи покрыли графен антителами, что является обычным способом прикрепления бактерий к поверхностям биосенсоров. Однако, хотя антитела очень маленькие (~ 10 нм), в атомном масштабе и по сравнению с тонким слоем графена, на самом деле они довольно большие и громоздкие. Хотя бактерии взаимодействуют с антителами, графен не может обнаружить эти бактерии напрямую, поскольку антитела на его поверхности блокируют сигнал; этот эффект блокировки сигнала называется дебаевским экранированием.
Чтобы преодолеть ограничение скрининга Дебая, исследователи вместо этого решили отслеживать химические реакции, проводимые бактериями, в присутствии определенных химикатов, которые они добавляли в крошечную каплю воды. Химические вещества, образующиеся в реакциях, намного меньше, чем антитела, и могут легко перемещаться между ними и достигать поверхности графена. Анализируя бактерии только в крошечных капельках, образованных с помощью микрофлюидики, бактерии и продукты их реакции могут удерживаться близко к поверхности графена, а концентрацию продуктов реакции можно даже отслеживать с течением времени.
«Наш биосенсор позволяет высокочувствительно и количественно определять бактерии, вызывающие язву желудка и рак желудка, ограничивая их реакцию в четко определенном микрообъеме», – говорит соавтор исследования Казухико Мацумото.
Чувствительная поверхность графена способна передавать электрические сигналы, которые меняются в зависимости от того, сколько продукта реакции присутствует в микрокапле и как быстро он накапливается. Эти электрические сигналы можно использовать для расчета количества бактерий в капле. Графен представляет собой структуру полевого транзистора (FET), роль которого заключается в резком увеличении электрических сигналов обнаружения от чувствительной поверхности графена.
«Наш биосенсор – это, по сути, мини-лаборатория на графеновом полевом транзисторе. Этот датчик демонстрирует, как двумерные материалы, такие как графен, становятся все ближе к практическому применению в медицине и здравоохранении », – говорит первый автор Такао Оно.
Результаты исследования могут быть использованы для создания целого ряда биосенсоров «лаборатория на графене-полевых транзисторах» для обнаружения различных бактерий.
Обнаружение крошечных концентраций бактерий может быть достигнуто менее чем за 30 минут; следовательно, эта работа представляет собой возможность более быстрой диагностики потенциально вредных бактерий в будущем.