La détection de bactéries viables est importante dans divers domaines, de la sécurité alimentaire au diagnostic médical. Les techniques existantes pour effectuer des tests de sensibilité aux antibiotiques (AST) - tester que, par exemple, permet aux fournisseurs de soins de santé de prescrire la dose correcte d'antibiotiques pour une infection particulière - sont lents, nécessitent du personnel qualifié ou utilisent des instruments encombrants et coûteux. Un nouveau capteur électrochimique développé par les chercheurs de Penn State peut désormais simplifier ce processus, tout en étant peu coûteux et portable, et peut surveiller directement les bactéries viables dans des échantillons liquides tels que le sang ou le lait.

"Le sang est une solution très complexe, " a déclaré Aida Ebrahimi, professeur adjoint de génie électrique à la faculté de génie électrique et d'informatique de Penn State. « Il a divers composants, y compris les globules rouges et de nombreuses protéines, qui font la détection de cibles spécifiques, telles que les cellules bactériennes vivantes, très difficile. Il est également optiquement opaque, ce qui rend difficile l'analyse directe du sang par les méthodes optiques."

En revanche, les capteurs électrochimiques ne sont pas limités par l'opacité de l'échantillon. Cependant, les méthodes électrochimiques existantes pour mesurer la viabilité bactérienne nécessitent le mélange d'un réactif redox-actif avec l'échantillon. Le réactif redox-actif échange des électrons avec les cellules métabolisantes. Cependant, un problème est que ce réactif peut interférer avec les antibiotiques. De plus, l'ajout de ces réactifs limite l'application des capteurs pour la détection de bactéries vivantes, par exemple dans le dépistage des aliments. La nouvelle méthode développée par le groupe Ebrahimi ne nécessite aucun agent supplémentaire.

"Nous avons développé un cristal redox-actif, appelé RZx, en utilisant une méthode d'électrodéposition simple qui n'utilise que des composants organiques, " a déclaré Ebrahimi. " Le processus de création du matériau est très peu coûteux et se fait à température ambiante et à un pH neutre, ni acide ni alcalin, ce qui le rend très sûr et respectueux de l'environnement. Le cristal organique permet la détection directe de l'activité métabolique bactérienne en détectant les changements de pH dus à la respiration cellulaire ainsi qu'en détectant les petites molécules libérées par le métabolisme des cellules vivantes."

Les chercheurs ont également montré la polyvalence du processus de fabrication du capteur en déposant du RZx sur une variété d'électrodes, des électrodes de carbone sérigraphiées sur papier aux électrodes de graphène induites par laser créées à l'aide d'un CO 2 système d'écriture laser. Cette capacité à concevoir et à fabriquer des géométries arbitraires est importante pour la production évolutive et l'ingénierie des appareils.

Alors que l'équipe d'Ebrahimi a récemment réalisé d'autres développements pour l'AST rapide, les capteurs basés sur RZx sont portables. Aussi, dans leurs recherches précédentes, ils ont regardé le mouvement des bactéries, alors qu'ici, ils sondent l'activité métabolique des cellules. Ceci est avantageux car parfois les bactéries peuvent ne pas bouger tout en continuant à métaboliser, ou "respirer".

Ebrahimi a également noté que cette méthode pourrait être utilisée non seulement dans le diagnostic médical mais aussi pour tester la qualité des aliments. En plus des tests sanguins, les chercheurs ont testé des échantillons de lait, car la recherche de bactéries vivantes est importante dans les contrôles de qualité et de sécurité sanitaire des aliments. Le même principe peut également être appliqué à l'analyse de l'eau pour la sécurité et la surveillance de l'environnement.

Au-delà de ces travaux, Ebrahimi étudie également les futures applications de cette méthode.

"Pour le futur, nous envisageons d'étendre les travaux pour analyser d'autres agents pathogènes microbiens, comme les champignons, ainsi que des applications au-delà de l'AST, notamment pour les pansements intelligents ou les cathéters intelligents, comme les infections bactériennes dans ces deux domaines sont de gros problèmes, " elle a dit.

L'article qui discute de ces résultats, "Couches cristallines organiques redox-actives pour les tests de sensibilité aux antibiotiques électrochimiques sans réactif (ORACLE-AST), " a été récemment publié dans la revue Biocapteurs et bioélectronique .