石墨烯传感器快速检测废水中的阿片类代谢物

由波士顿学院、吉纳实验室和波士顿大学的研究人员开发的石墨烯电子多路复用传感器 (GEMS) 平台能够同时检测废水样品中四种不同的目标阿片类药物衍生分子。来源：ACS Nano（2022）。DOI: 10.1021/acsnano.1c07094

来自波士顿学院、波士顿大学和 Giner 的一组研究人员发现，被称为石墨烯的原子厚碳片的独特特性使一种新的便士大小的多路复用生物传感器成为第一个检测废水中阿片类药物副产物的新型传感器实验室在最新的在线版ACS Nano杂志上进行了报告。

这种新颖的设备是第一个使用基于石墨烯的场效应晶体管同时检测四种不同的合成和天然阿片类药物，同时保护它们免受废水中有害元素的影响。当特定的阿片类代谢物附着在石墨烯上的分子探针上时，它会改变石墨烯上的电荷。对于连接到设备的每个探头，这些信号很容易以电子方式读取。

“我们开发的这种新传感器能够快速、廉价且轻松地测量废水中的阿片类药物，”该报告的主要作者、波士顿学院物理学教授 Kenneth Burch 说。“它的敏感性和可移植性将允许在当地范围内进行基于废水的流行病学——具体到逐个街区或逐个宿舍——同时确保隐私。”

该设备应对阿片类药物流行的主要挑战：确定社区中使用的药物的数量和种类。隐私问题和有限的资源是测试大量人群的障碍。另一种方法是基于废水的流行病学，类似于测试废水以测量大流行期间社区的冠状病毒感染水平。

“废水检测是一种新兴策略，可以克服与个人药物检测相关的限制和污名，它提供了在社区层面更客观的药物使用衡量标准，”Giner Labs 高级材料副总裁 Avni Argun 说，他是该项目。“虽然废水测试已在欧洲广泛进行，但在美国只有少数研究存在。该团队设备的快速和便携特性将允许以低成本和高地理分辨率进行大规模人口测试。”

Argun 在马萨诸塞州牛顿市 Giner 实验室的工作由 NIH 的国家药物滥用研究所资助，该研究所正在与研究人员合作开发智能城市工具，以帮助解决药物使用和滥用问题的公共卫生监测计划。该项目的额外资金来自美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院和海军研究办公室。

该团队的原型可以为试图确定阿片类药物使用水平和社区范围治疗干预影响的公共卫生官员提供一种更便宜、更快捷的工具。

Burch 说，虽然石墨烯以前曾被用于传感生物样本，但该团队的工作是首次证明该材料可用于废水。

此外，该报告称，这是首次使用基于石墨烯的场效应晶体管（一种读取电荷量的电子设备）来同时检测多个目标。

Burch 说，这一突破是通过石墨烯电子多路复用传感器 (GEMS) 平台的设计和实施实现的。该平台能够一次感应四种不同的目标分子，同时保护它们免受废水中的苛刻元素的影响，废水中的样品由位于科德角的 Mass. Alternative Septic System Test Center (MASSTC) 提供。

该团队为石墨烯探针配备了“适体”，即设计为仅附着在特定分子上的 DNA 链——在这种情况下，是废水中各种阿片类药物的代谢物。当适配体附着在药物上时，它会折叠，给石墨烯带来更多的电荷。Burch 说，监测石墨烯上的电荷量以检测特定阿片类代谢物的存在。

“这些适体连接到我们的石墨烯设备上，当捕获药物时，石墨烯上的感应电荷被电子读取，”Burch 说。“我们的制造工艺和设计使检测下限比以前的其他方法报告的要好一个数量级。”

以前的采样工具面临着局限性，因为它们需要在实验室环境中运送样品和测试。这些要求带来的成本限制了在没有足够资源的社区中的广泛采用和使用。Burch 说，通过克服这些限制，石墨烯设备可以在多个位置提供近乎实时的监控，这也可以帮助分配资源，例如急救人员或特定的干预策略。

“这是第一个可以通过如此简单易用的设置实现它的传感器——单个 GEMS 平台只有一分钱那么大，”Burch 补充道。

GEMS 的成功源于 Burch 领导的长期合作，汇集了波士顿大学生物学副教授 Tim van Opijnen 的 DNA 专业知识、波士顿大学化学家 Xi Ling 的石墨烯培养以及 Argun 和来自美国的科学家的生物传感器分析开发专业知识吉纳实验室。

该项目的其他研究人员包括波士顿学院研究生 Michael Geiwitz、研究科学家 Narendra Kumar、本科生 Matthew Catalan 和博士后研究员 Juan C. Ortiz-Marquez；Giner Labs 的 Muhit Rana、Niazul Islam Khan、Andrew Weber 和 Badawi Dweik；和BU研究生Hikari Kitadai。

Burch 说，该团队对该设备经受住恶劣废水环境的能力感到惊讶。他说，他的实验室正在 NIDA 小型企业创新研究 (SBIR) 资助下与 Giner Labs 合作，以开发最终用于商业用途的设备。

Burch 说：“我们还在努力研究该平台还可用于什么其他用途，例如快速在家检测病毒感染和/或废水中是否存在病原体。”

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