В эпоху пандемии COVID-19 домашние портативные тесты имели решающее значение для определения того, когда следует носить маску или изолироваться дома. Теперь инженерные исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали портативное и беспроводное устройство для одновременного обнаружения SARS-CoV-2, вируса, вызывающего COVID-19, и витамина C, важнейшего питательного вещества, которое помогает повысить устойчивость к инфекциям, путем интеграции коммерческих транзисторов с напечатанным лазером-индуцированным графеном.

Их результаты были опубликованы в качестве заглавной статьи в выпуске ACS Applied Materials & Interfaces за ноябрь 2024 года . По словам исследователей, одновременно определяя уровень вируса и витамина C, тест может помочь людям и их поставщикам медицинских услуг выбрать более эффективные варианты лечения. Например, человеку с низким уровнем витамина C может быть полезно дополнительное повышение, в то время как человеку с нормальным или высоким уровнем витамина C, возможно, придется рассмотреть другие варианты.

«Существует несколько исследований, которые показывают, что витамин С может помочь в лечении симптомов вирусных респираторных инфекций, таких как SARS-CoV-2», — сказала соавтор Айда Эбрахими, доцент кафедры электротехники , биомедицинской инженерии и материаловедения и инженерии Томаса и Шейлы Роэлл. «Существуют платформы для тестирования витамина С, но они громоздкие, дорогие и не подходят для тестирования в домашних условиях. Наше устройство портативно, просто в эксплуатации и может одновременно обнаруживать витамин С и SARS-CoV-2, с возможностью добавления новых целевых молекул на ту же платформу в будущем».

Исследователи решили проверить витамин С и SARS-CoV-2 не только с точки зрения их клинической значимости для пациентов, но и для того, чтобы продемонстрировать универсальность своего подхода к тестированию.

«Мы использовали витамин C и SARS-CoV-2 в качестве модельных мишеней, чтобы продемонстрировать применимость нашего подхода к обнаружению биомаркеров с двумя распространенными типами сенсоров, используемых в сообществе биосенсоров: с элементом захвата для «захвата» целевых молекул и без него», — сказал Эбрахими. «Мы использовали молекулы, чтобы показать наше улучшение функциональности теста по сравнению с существующими методами».

Эбрахими объяснил, что после обработки небольшого образца слюны устройство отправляет результаты по беспроводной связи на мобильный телефон пользователя. Затем пользователи могут продолжать контролировать уровень витамина С дома и принимать добавки или есть продукты, богатые витаминами, чтобы потенциально улучшить свои симптомы.

Для разработки своей сенсорной платформы исследователи изучили несколько параметров лазерно-индуцированного графена , который является невероятно тонким материалом с высокой чувствительностью и другими желаемыми свойствами. Он изготавливается методом высокоточной лазерной печати для создания сенсорного материала, имеющего трехмерную пористую структуру. Команда оценила его пористость, электрические свойства и шероховатость поверхности , чтобы определить наилучшее количество «проходов» или слоев, в которых следует печатать датчики.

Количество проходов влияет на чувствительность датчика и предел обнаружения, который относится к минимальной концентрации вещества, которую можно обнаружить в пределах определенного доверительного интервала.

«Мы показали, что при двухпроходной лазерной печати, известной как двухпроходной лазерно-индуцированный графен, чувствительность сенсора и предел обнаружения значительно улучшаются как для витамина С, так и для SARS-CoV-2», — сказал первый автор Хешмат «Амир» Асгарян, докторант кафедры электротехники в Университете штата Пенсильвания.

Исследователи утверждают, что одноразовое сенсорное устройство, изготовленное на пластиковой подложке, похоже на небольшие тест-полоски, которые используют больные диабетом для контроля уровня глюкозы, дешево и просто в производстве, а тестовый модуль можно использовать повторно.

Помимо Эбрахими и Асгаряна, соавторами являются Винай Каммарчеду и Пуйя Солтан Хамси, аспиранты факультета электротехники в Университете штата Пенсильвания, а также Кэролайн Брустолони, получившая степень магистра в Университете штата Пенсильвания.