Новые наносенсоры повышают чувствительность диагностических процедур
Исследователи из Института микроэлектронных схем и систем им. Фраунгофера (IMS) и Рурского университета в Бохуме (Германия) разработали процесс, обеспечивающий новую форму усиления сигнала для диагностических тестов. Благодаря продвинутому использованию люминесцентных однослойных углеродных нанотрубок в биоаналитике процедуры тестирования можно проводить более чувствительно, быстро и дёшево.
Сенсоры могут использоваться для ферментативных процессов. Их адаптируемость к различным условиям реакции открывает широкий спектр применений для стандартных методов, таких как ELISA (иммуноферментный анализ).
Результаты были опубликованы 15 декабря 2023 года в журнале Angewandte Chemie International Edition. Они открывают новые возможности для улучшения диагностических процедур и экономии реагентов.
Диагностические пределы можно улучшить с помощью светящегося углеродного сенсора
Многие диагностические процедуры используют свет для обнаружения количества определённого вещества. Это может быть окрашенное или люминесцирующее вещество. К сожалению, в видимом диапазоне света много фоновых сигналов. Чтобы сместить оптический сигнал измерения в более благоприятный спектральный диапазон, исследователи использовали углеродные трубки диаметром менее одного нанометра. Это примерно в 100 000 раз тоньше человеческого волоса.
Сенсоры флуоресцируют в ближнем инфракрасном диапазоне, невидимом для человеческого глаза, и не выцветают. Кроме того, флуоресценция сенсоров чувствительна к их химическому окружению благодаря модификации на их поверхности. Это позволяет наблюдать химические реакции и обнаруживать продукты реакции при их взаимодействии с нанотрубкой.
Флуоресценция нанотрубок смещает сигнал в ближний инфракрасный диапазон, что в сочетании с высокой чувствительностью нанотрубок приводит к сдвигу предела обнаружения. Это важно, например, когда маркеры заболевания присутствуют в очень низких концентрациях при инфекции или болезни, такой как рак.
Возможность настраивать нанотрубки под разные аналиты открывает широкий спектр возможностей, включая повышение чувствительности. Этот выигрыш в чувствительности позволяет потенциально сдвигать пределы обнаружения, что может привести к экономии как материалов, так и времени в диагностических процессах.
Группа продемонстрировала работу нового принципа сенсора на примере субстратов p-фенилендиамина и тетраметилбензидина для фермента пероксидазы хрена. «Этот фермент используется в различных биохимических методах обнаружения», — поясняет Юстус Меттерних из Fraunhofer IMS.
«Однако в принципе концепцию можно применить ко всем видам систем. Например, мы также исследовали фермент β-галактозидазу, который представляет интерес для диагностических применений. С небольшими модификациями его также можно использовать в биореакциях».
В будущем группа планирует адаптировать сенсоры для других применений. Например, в зависимости от применения сенсоры можно сделать более стабильными с помощью так называемых квантовых дефектов. «Это было бы особенно выгодно, если вы хотите измерять не только в простых водных растворах, но и следить за ферментативными реакциями в сложных средах с клетками, в крови или в самом биореакторе», — объясняет Себастьян Крусс, профессор физической химии Рурского университета в Бохуме и руководитель Attract Group Biomedical Nanosensors в Fraunhofer IMS.