使用石墨烯开发高灵敏度和快速的即时诊断设备

General Graphene GG 3.0石墨烯合成设备与在线聚合物喷涂系统的图片。

缺乏准备

在COVID-19大流行期间，全球医疗保健面临最大的考验，缺乏先进的医疗基础设施和可靠的测试工具，导致病毒在世界各地不受限制地传播。

大流行期间突出的最大问题之一是在护理点准确检测 COVID-19 的能力。虽然行业通过在几个月内部署各种护理点侧流设备来迅速应对大流行的到来，但灵敏度和选择性的限制使这些工具无法足够准确和可靠，以减轻 COVID-19 病毒的传播。事实上，由于即时侧流设备的不准确和不可靠性，大多数在航班起飞前要求 COVID-19 诊断为阴性的航空公司拒绝接受 PCR 以外的任何东西。

即时护理设备的可靠性差意味着市场认知转向PCR作为唯一的出路。然而，PCR有其自身的一系列困难，包括无法在护理点部署，需要大量的样品制备和信号放大。需求是明确的——诊断测试必须在护理点部署，并且足够准确，以有效控制传染病的爆发。

为什么是石墨烯？

石墨烯是一种平台材料，位于生物学和技术的交叉点，具有在各种生物传感平台上结合的潜力。生物传感器平台作为便携式电化学设备，通过引入目标生物识别元件（如抗体、酶、蛋白质、病毒、适配体等）生成信号来测量生物分子相互作用。作为“芯片实验室”设备，基于石墨烯的生物传感器在速度、准确性和护理点部署方面具有关键优势，使其成为解决医疗保健领域一些最大挑战的独特解决方案。石墨烯能够快速灵敏地检测各种生物标志物，有望在早期疾病诊断、个性化医疗和生物医学研究方面取得重大进展。

表面化学家或生物表面工程师可以使用多种生物分子受体（蛋白质、适体、病毒、DNA、RNA、抗体等）对石墨烯表面进行功能化。石墨烯广泛的功能化潜力使其能够在多种领域中使用单一或多路护理点生物传感器设备。由于量子力学定律的生效，原子薄材料呈现出独特的性质。石墨烯独特的电特性对于在基于亲和力的场效应晶体管 (FET) 器件配置中实现生物分子的高灵敏度检测发挥着关键作用。大多数现有的护理点诊断工具的检测灵敏度仅限于 10-9 或纳米级。利用 CVD 石墨烯，我们的合作伙伴已经能够开发出各种灵敏度级别在 10-11 至 10-15 之间的诊断设备，这比传统的护理点诊断设备有了前所未有的改进，并且在 10-15 级别上优于 PCR敏感度级别。

基于石墨烯的即时诊断具有高信噪比，可确保高选择性以及广泛的分析物浓度检测范围。这对于减少传统护理点工具中可见的大量假阳性和假阴性至关重要，并确保基于石墨烯的即时诊断具有与实验室级诊断工具相当或更好的准确性。

大多数基于实验室的筛选工具还需要信号放大和/或广泛的样品制备，以准确检测生物分子浓度。基于石墨烯的即时诊断完全消除了对信号放大的需求，并且只需最少的样品制备即可提供准确的生物分子浓度结果。这有助于显著缩短获得结果的时间 – 从几天和几小时缩短到几分钟。

为下一次大流行做好准备

如果在 COVID-19 大流行期间存在基于石墨烯的即时护理设备会怎样？所描述的好处无疑将在应对与疾病管理相关的众多挑战方面发挥关键作用，从而可能导致更好地控制和遏制全球COVID-19疫情。人们不必开车到PCR检测设施进行可靠和准确的检测，从而降低进一步污染的风险，从而可能有助于控制疫情。

凭借其高选择性和信噪比，基于石墨烯的生物传感器还可以减少假阳性和假阴性的数量，从而提高即时诊断平台的整体可信度。提供快速即时检测并在几分钟内提供结果的能力也可以及时追踪和隔离接触者——大大减少医疗提供者在大流行期间面临的检测积压。

可以肯定的是，在下一次大流行到来之前，世界需要有更好的装备。石墨烯生物传感器有可能成为开发改进的医疗保健技术和基础设施的关键因素，以帮助遏制未来的传染病爆发。

石墨烯对COVID-19诊断以外的影响

石墨烯的多功能功能化潜力意味着其在即时诊断设备中的潜力远远超出了COVID-19。我们正在与GrapheneDx合作，后者是基于石墨烯的新型诊断平台的开发商。他们正在开发的第一个设备是一种多路复用的即时护理设备，能够在几分钟内高灵敏度地检测衣原体和淋病 – 扩大了临床环境之外的准确实时性病检测的范围。

图 1 – GrapheneDX 用于多重护理点性病检测的石墨烯诊断平台[1]

“Hememics Biotechnologies是开发32plex石墨烯生物传感器芯片的合作伙伴，其灵敏度是侧向流设备的100倍。他们的第一套石墨烯设备旨在以一致的低皮摩尔范围灵敏度检测SEB和蓖麻毒素，并在5分钟内提供结果 – 为实时生物毒素检测提供现场部署的工具。

图 2 – Hememics Biotechnologies的32plex石墨烯生物传感器芯片器件[2]

除了诊断之外，基于石墨烯的生物传感器还可用于实时环境监测应用、生命体征（葡萄糖水平和心率）的实时监测、食品安全和农业，以及在生物医学研究中测量各种生物分子相互作用——包括蛋白质-蛋白质相互作用、DNA 杂交、酶动力学等。石墨烯作为平台材料的多功能性及其巨大的功能化潜力使其成为多种应用中生物分子传感的有前途的候选者。其卓越的电气性能和广泛的定制可能性为该领域的探索和创新提供了广泛的机会，由熟练的生物表面工程师的创造性思维和专业知识驱动。

可规模化的石墨烯生物传感器

我们的信念是，为了产生影响并为大规模采用做好准备，基于石墨烯的解决方案必须比现有的替代品更便宜、更好。我们的工业规模CVD石墨烯制造技术使我们能够以更低的价格提供大量CVD石墨烯，并为特定应用量身定制质量。这使得CVD石墨烯能够结合到即时诊断工具中，与薄膜金属替代品相比，这些工具的灵敏度和成本竞争力至少高100倍。

通过制造具有实验室级精度和快速获得结果的低成本即时诊断，石墨烯为用户和医疗保健提供者提供了一条开发安全便捷的医疗保健生态系统的途径。凭借我们的工业规模CVD技术，我们有信心为合作伙伴提供CVD石墨烯材料，并共同应对扩大CVD石墨烯应用开发研发的挑战。

要了解有关我们的工业级CVD石墨烯材料如何帮助扩展石墨烯生物传感器开发的更多信息，请阅读我们关于生物传感器中CVD石墨烯的白皮书。如果您有兴趣将我们的CVD石墨烯材料用于您的生物传感器应用，请联系我们。

[1] 图片来源：GrapheneDX。

[2] 照片由Hememics Biotechnologies Inc.提供。