Illustration schématique de la conception et des résultats de l'étudeRéimprimé avec la permission de T. Ono et al., « Biodétection électrique à la force ionique physiologique à l'aide d'un transistor à effet de champ de graphène dans une microgouttelette de femtolitre » Nano Lett. 19, 4004 (2019). Crédit :Société chimique américaine
Les biocapteurs sont actuellement utilisés dans les soins de santé pour surveiller la glycémie; cependant, ils ont également le potentiel de détecter les bactéries. Des chercheurs de l'Université d'Osaka ont inventé un nouveau biocapteur utilisant du graphène, un matériau constitué d'une couche de carbone d'une épaisseur d'un atome, pour détecter des bactéries telles que celles qui attaquent la muqueuse de l'estomac et qui ont été liées au cancer de l'estomac. Lorsque les bactéries interagissent avec le biocapteur, des réactions chimiques sont déclenchées qui sont détectées par le graphène. Pour permettre la détection des produits de réaction chimique, les chercheurs ont utilisé la microfluidique pour contenir les bactéries dans des gouttelettes extrêmement fines proches de la surface du capteur.
Pour que les bactéries s'accrochent, les chercheurs ont recouvert le graphène d'anticorps, un moyen courant d'ancrer les bactéries aux surfaces des biocapteurs. Cependant, bien que les anticorps soient très petits (~10 nm), à l'échelle atomique et comparée à la couche mince atomique de graphène, ils sont en fait assez grands et volumineux. Alors que les bactéries interagissent avec les anticorps, le graphène ne peut pas détecter ces bactéries directement car les anticorps à sa surface bloquent le signal; cet effet de blocage du signal est appelé filtrage Debye.
Pour surmonter la limitation du filtrage Debye, les chercheurs ont plutôt décidé de surveiller les réactions chimiques effectuées par les bactéries en présence de certains produits chimiques, qu'ils ont ajouté à la minuscule goutte d'eau. Les produits chimiques produits dans les réactions sont beaucoup plus petits que les anticorps et peuvent se glisser facilement entre eux et atteindre la surface du graphène. En analysant uniquement les bactéries dans de minuscules gouttelettes générées par microfluidique, les bactéries et leurs produits de réaction peuvent être maintenus à proximité de la surface du graphène et la concentration des produits de réaction peut même être surveillée dans le temps.
Une image au microscope du dispositif de laboratoire sur un-graphene-FET. Crédit :T. Ono et al., « Biodétection électrique à la force ionique physiologique à l'aide d'un transistor à effet de champ de graphène dans une microgouttelette de femtolitre » Nano Lett. 19, 4004 (2019). Copyright 2019 Société chimique américaine
"Notre biocapteur permet une détection très sensible et quantitative des bactéries qui causent les ulcères de l'estomac et le cancer de l'estomac en limitant sa réaction dans un microvolume bien défini, ", explique Kazuhiko Matsumoto, co-auteur de l'étude.
La surface de détection de graphène est capable de renvoyer des signaux électriques qui varient en fonction de la quantité de produit de réaction présente dans la microgouttelette et de la vitesse à laquelle elle s'accumule. Ces signaux électriques peuvent être utilisés pour calculer le nombre de bactéries dans la gouttelette. Le graphène est mis en place dans une structure de transistor à effet de champ (FET), dont le rôle est d'augmenter considérablement les signaux de détection électrique de la surface de détection de graphène.
La réponse électrique reproductible de l'appareil à l'uréase capturée dans une microgoutteletteRéimprimé avec la permission de T. Ono et al., « Biodétection électrique à la force ionique physiologique à l'aide d'un transistor à effet de champ de graphène dans une microgouttelette de femtolitre » Nano Lett. 19, 4004 (2019). Crédit :Société chimique américaine
« Notre biocapteur est essentiellement un mini-laboratoire sur un FET au graphène. Ce capteur montre comment les matériaux bidimensionnels tels que le graphène sont de plus en plus appliqués dans des applications médicales et de soins de santé pratiques. " dit le premier auteur Takao Ono.
Les résultats de l'étude peuvent être utilisés pour créer une multitude de ces biocapteurs de laboratoire sur graphène-FET pour détecter diverses bactéries différentes. La détection d'infimes concentrations de bactéries pourrait être réalisée en moins de 30 minutes; Par conséquent, ce travail représente la possibilité de diagnostics plus rapides pour les bactéries potentiellement nocives à l'avenir.
