由波士頓學(xué)院、吉納實驗室和波士頓大學(xué)的研究人員開發(fā)的石墨烯電子多路復(fù)用傳感器 (GEMS) 平臺能夠同時檢測廢水樣品中四種不同的目標(biāo)阿片類藥物衍生分子。來源：ACS Nano（2022）。DOI: 10.1021/acsnano.1c07094

來自波士頓學(xué)院、波士頓大學(xué)和 Giner 的一組研究人員發(fā)現(xiàn)，被稱為石墨烯的原子厚碳片的獨特特性使一種新的便士大小的多路復(fù)用生物傳感器成為第一個檢測廢水中阿片類藥物副產(chǎn)物的新型傳感器實驗室在最新的在線版ACS Nano雜志上進(jìn)行了報告。

這種新穎的設(shè)備是第一個使用基于石墨烯的場效應(yīng)晶體管同時檢測四種不同的合成和天然阿片類藥物，同時保護(hù)它們免受廢水中有害元素的影響。當(dāng)特定的阿片類代謝物附著在石墨烯上的分子探針上時，它會改變石墨烯上的電荷。對于連接到設(shè)備的每個探頭，這些信號很容易以電子方式讀取。

“我們開發(fā)的這種新傳感器能夠快速、廉價且輕松地測量廢水中的阿片類藥物，”該報告的主要作者、波士頓學(xué)院物理學(xué)教授 Kenneth Burch 說�！八�的敏感性和可移植性將允許在當(dāng)?shù)胤秶鷥?nèi)進(jìn)行基于廢水的流行病學(xué)——具體到逐個街區(qū)或逐個宿舍——同時確保隱私�！�

該設(shè)備應(yīng)對阿片類藥物流行的主要挑戰(zhàn)：確定社區(qū)中使用的藥物的數(shù)量和種類。隱私問題和有限的資源是測試大量人群的障礙。另一種方法是基于廢水的流行病學(xué)，類似于測試廢水以測量大流行期間社區(qū)的冠狀病毒感染水平。

“廢水檢測是一種新興策略，可以克服與個人藥物檢測相關(guān)的限制和污名，它提供了在社區(qū)層面更客觀的藥物使用衡量標(biāo)準(zhǔn)，”Giner Labs 高級材料副總裁 Avni Argun 說，他是該項目�！半m然廢水測試已在歐洲廣泛進(jìn)行，但在美國只有少數(shù)研究存在。該團(tuán)隊設(shè)備的快速和便攜特性將允許以低成本和高地理分辨率進(jìn)行大規(guī)模人口測試�！�

Argun 在馬薩諸塞州牛頓市 Giner 實驗室的工作由 NIH 的國家藥物濫用研究所資助，該研究所正在與研究人員合作開發(fā)智能城市工具，以幫助解決藥物使用和濫用問題的公共衛(wèi)生監(jiān)測計劃。該項目的額外資金來自美國國家科學(xué)基金會、美國國立衛(wèi)生研究院和海軍研究辦公室。

該團(tuán)隊的原型可以為試圖確定阿片類藥物使用水平和社區(qū)范圍治療干預(yù)影響的公共衛(wèi)生官員提供一種更便宜、更快捷的工具。

Burch 說，雖然石墨烯以前曾被用于傳感生物樣本，但該團(tuán)隊的工作是首次證明該材料可用于廢水。

此外，該報告稱，這是首次使用基于石墨烯的場效應(yīng)晶體管（一種讀取電荷量的電子設(shè)備）來同時檢測多個目標(biāo)。

Burch 說，這一突破是通過石墨烯電子多路復(fù)用傳感器 (GEMS) 平臺的設(shè)計和實施實現(xiàn)的。該平臺能夠一次感應(yīng)四種不同的目標(biāo)分子，同時保護(hù)它們免受廢水中的苛刻元素的影響，廢水中的樣品由位于科德角的 Mass. Alternative Septic System Test Center (MASSTC) 提供。

該團(tuán)隊為石墨烯探針配備了“適體”，即設(shè)計為僅附著在特定分子上的 DNA 鏈——在這種情況下，是廢水中各種阿片類藥物的代謝物。當(dāng)適配體附著在藥物上時，它會折疊，給石墨烯帶來更多的電荷。Burch 說，監(jiān)測石墨烯上的電荷量以檢測特定阿片類代謝物的存在。

“這些適體連接到我們的石墨烯設(shè)備上，當(dāng)捕獲藥物時，石墨烯上的感應(yīng)電荷被電子讀取，”Burch 說。“我們的制造工藝和設(shè)計使檢測下限比以前的其他方法報告的要好一個數(shù)量級�！�

以前的采樣工具面臨著局限性，因為它們需要在實驗室環(huán)境中運(yùn)送樣品和測試。這些要求帶來的成本限制了在沒有足夠資源的社區(qū)中的廣泛采用和使用。Burch 說，通過克服這些限制，石墨烯設(shè)備可以在多個位置提供近乎實時的監(jiān)控，這也可以幫助分配資源，例如急救人員或特定的干預(yù)策略。

“這是第一個可以通過如此簡單易用的設(shè)置實現(xiàn)它的傳感器——單個 GEMS 平臺只有一分錢那么大，”Burch 補(bǔ)充道。

GEMS 的成功源于 Burch 領(lǐng)導(dǎo)的長期合作，匯集了波士頓大學(xué)生物學(xué)副教授 Tim van Opijnen 的 DNA 專業(yè)知識、波士頓大學(xué)化學(xué)家 Xi Ling 的石墨烯培養(yǎng)以及 Argun 和來自美國的科學(xué)家的生物傳感器分析開發(fā)專業(yè)知識吉納實驗室。

該項目的其他研究人員包括波士頓學(xué)院研究生 Michael Geiwitz、研究科學(xué)家 Narendra Kumar、本科生 Matthew Catalan 和博士后研究員 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 說，該團(tuán)隊對該設(shè)備經(jīng)受住惡劣廢水環(huán)境的能力感到驚訝。他說，他的實驗室正在 NIDA 小型企業(yè)創(chuàng)新研究 (SBIR) 資助下與 Giner Labs 合作，以開發(fā)最終用于商業(yè)用途的設(shè)備。

Burch 說：“我們還在努力研究該平臺還可用于什么其他用途，例如快速在家檢測病毒感染和/或廢水中是否存在病原體。”