石墨烯传感器可以检测细菌病原体

在医院中检测危及生命的感染（如败血症）的快速、更安全的方法对患者的生存至关重要。生物与生物工程系的Ivan Mijakovic教授和Santosh Pandit教授正在开发一种基于石墨烯的传感器，以快速区分细菌类型。

当脆弱人群在医院发生危及生命的感染时，时间是生存的关键因素。因此，研究人员正在加紧工作，以找到更快速，更安全的方法来检测细菌病原体。石墨烯被认为是特别适合用于生物传感器和诊断设备的材料。一个研究小组现在已经证明，石墨烯的二维片状结构可以非常迅速地区分细菌的类型。目的是使传感器足够灵敏。

脓毒症占全球五分之一的死亡，是一种强烈的免疫反应和循环衰竭，感染可引起这种反应。脓毒症对于在医院发展脓毒症的人来说尤其严重，30%的人会死亡，因为在确定哪种微生物引起脓毒症和迅速应用有效治疗之间花费了太多时间。目前，这需要几个小时，但传感器技术的发展可能会大大缩短这一时间。

“我们开发了一个简单的原型传感器，包括原始石墨烯。我们测量了材料电阻的微小变化，从而可以区分细菌的类型。该原型展示了石墨烯如何快速轻松地区分两种类型的细菌。我们现在正在努力寻找在医疗保健系统中最常引起败血症的细菌的特征特征。在此基础上，我们将修改石墨烯传感器，使它们变得足够灵敏，可以在医院环境中提供帮助，”查尔默斯教授和丹麦技术大学诺和诺德基金会生物可持续性中心教授Ivan Mijakovic解释说。

具有巨大潜力的原型

开发生物传感器以检测致病细菌和病毒的兴趣正在迅速增长。在纳米材料中，石墨烯因其特殊的表面特性和导电性而受到关注，这使得极小和灵敏的传感器成为可能。石墨烯是排列成蜂窝晶格的二维碳原子片，其提供大且非常敏感的表面积。

“碳原子在超薄碳层的上方和下方都有一个电子球。通过在两端安装电极，我们可以测量电阻，使表面对附近的任何东西敏感。在我们的新研究中，我们展示了 – 令我们自己非常惊讶的是 – 石墨烯是如此敏感，我们不仅可以通过电荷的微小变化来检测细菌是否存在，而且还可以在一定程度上区分不同类型的细菌，”Ivan Mijakovic说。

细菌的大小通常在0.5至5μm之间，并且具有不同的形状 – 球形，棒状和螺旋形。此外，大多数细菌被细胞壁包封，该细胞壁由带负电荷的N-乙酰葡糖胺和N-乙酰壁氨酸制成肽聚糖。这一层在革兰氏阳性细菌中较厚，在革兰氏阴性细菌中较薄。

“这主要是一个原型，以展示这种传感器的潜力。因此，在不改变石墨烯表面的任何内容的情况下，我们可以检测是否存在细菌并区分它们在表面的微小差异。当然，这种类型的传感器可能在必须完全无菌的表面上有用，例如植入物，但是我们的原型更像是技术是可能的概念证明。现在我们可以把这个概念更进一步，”查尔姆斯研究员，该研究的主要作者Santosh Pandit解释说。

该研究是欧洲一个重大项目的一部分

因此，原型研究只是欧洲一个主要项目的第一步，该项目旨在开发能够快速准确地识别目前对医疗保健构成最大问题的致病细菌的传感器。

“人体有成千上万种细菌，其中大多数实际上是无害的或通常是有益的。因此，我们必须能够区分它们，因此我们需要确定如何用抗体或其他对特定细菌有选择性的受体来功能化石墨烯表面，”Santosh Pandit说。

因此，这个国际项目的研究人员正在与医院合作，收集最相关和最有问题的病原体。

“然后，我们’剃除’这些细菌的表面，以揭示哪些蛋白质和生物标志物是病原体的特征。然后，我们可以产生针对肽的抗体，或者为这些表面分子构建小的有机化学受体，就像我们与查尔姆斯有机化学教授Nina Kann合作所做的那样，”Santosh Pandit解释说。

医院需要特定和快速的设备

研究人员希望他们能够使用这些不同类型的策略，进一步将石墨烯传感器的原型版本开发成更先进的芯片。

“医院正在寻找一种既非常具体又非常快速的设备。如果这项技术成功，我们将能够将响应时间从几小时减少到几分钟，这样医生就可以更快地做出反应，从而挽救更多的生命。因此，最初的目标是在医院中引起败血症的细菌，从而威胁到最受损人群的生命，但是一旦我们完全开发了技术，我们也打算将其用于不太紧迫的应用，如慢性感染或植入物，”Ivan Mijakovic总结道。