由波士頓學(xué)院、吉納實(shí)驗(yàn)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(dú)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(shí)驗(yàn)室在最新的在線版ACS Nano雜志上進(jìn)行了報(bào)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(bào)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(xiàng)目。“雖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(duì)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(shí)驗(yàn)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(jì)劃。該項(xiàng)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(duì)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(duì)的工作是首次證明該材料可用于廢水。

此外，該報(bào)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(jì)和實(shí)施實(shí)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(duì)為石墨烯探針配備了“適體”，即設(shè)計(jì)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�！拔覀兊闹圃旃に嚭驮O(shè)計(jì)使檢測下限比以前的其他方法報(bào)告的要好一個數(shù)量級�！�

以前的采樣工具面臨著局限性，因?yàn)樗鼈冃枰�在�?shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)室。

該項(xiàng)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(duì)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(shí)驗(yàn)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。”