Pappersbaserad biosensor
Pappersbaserade biosensorer är en undergrupp av pappersbaserade mikrofluidik som används för att upptäcka förekomsten av patogener i vatten. Pappersbaserade detektionsenheter har hyllats för sin låga kostnad, portabilitet och användarvänlighet. Dess portabilitet i synnerhet gör den till en bra kandidat för vårdcentralstestning . Men det finns också begränsningar för dessa analyser, och forskare arbetar kontinuerligt med att förbättra noggrannheten, känsligheten och förmågan att testa för flera föroreningar samtidigt.
Historia
Papper har använts i analytisk kemi så långt tillbaka som på 1800-talet, när lackmuspapper först rapporterades, och har sedan dess använts för tekniker som papperskromatografi och sidoflödesanalyser . Det identifierades dock först som ett material för mikrofluidiska analyser 2007, när mönstrat papper föreslogs som en lågkostnadsplattform för bioanalyser.
Variationer av pappersbaserade biosensorer
Ett antal pappersbaserade biosensorer har utvecklats, som använder en mängd olika tillvägagångssätt. I allmänhet detekteras patogener via kolorimetrisk , elektrokemisk , fluorescerande och kemiluminescerande detektion, även om det också finns andra typer av sensorer. Flera exempel på pappersbaserade biosensorer beskrivs nedan.
För allmän bakteriedetektering
En anordning som har beskrivits som kapabel att detektera bakteriell närvaro i vattenprover använder den gemensamma egenskapen för oligosackarider och monosackarider som finns på ytan av bakterieceller. Det är en elektrokemisk anordning som använder hydrofobt papper som har inbäddats med kolelektroder . Istället för att använda antikroppar som detektorer, som är dyra, använder den här enheten Concanavalin A (Con A), som är mycket specifik för oligosackariderna och monosackariderna. Con A är fäst vid kolelektroderna, som också är utrustade med karboxylgrupper . Närvaron av bakterier utlöser en serie elektrokemiska reaktioner, som mäts med en anordning som kallas potentiostat . Denna enhet är mindre känslig än vissa andra, med en detektionsgräns på 1,9 × 10 3 CFU /mL. Som jämförelse sträcker sig vissa ELISA från 20 CFU/mL till 1 x 10 4 CFU/mL.
För att detektera E. coli
Detektion via bakteriofag
Flera pappersenheter har rapporterats för detektering av E. coli specifikt i vattenprover. En sådan anordning använder en rekombinant version av T4 - bakteriofagen som bär genen för β-galaktosidas . Vattenprover filtreras med membranfilter, sedan placeras filterpappren i den pappersbaserade enheten som innehåller näringsmedium. De inkuberas sedan i 4 timmar vid 37 °C. tillsätts bakteriofagen och β-galaktosidasindikatorsubstratet till provet. Detta får cellerna att lysera och frigöra enzymet β-galaktosidas, vilket utlöser omvandlingen av substratet till en fluorescerande produkt, vilket tyder på närvaron av patogenen. Fluorescens detekteras med hjälp av en luminiscensbildanordning. Enheten visade sig vara mycket specifik för E. coli och testades mot närvaron av Enterobacter cloacae , Aeromonas hydrophila och Salmonella Typhimurium . Den har en detektionsgräns på mindre än 10 CFU/mL, vilket anses vara ganska känsligt.
Detektering via läskpapper
En annan enhet, kallad DipTest, har också utvecklats för att upptäcka E. coli . Den använder poröst cellulosa läskpapper . Ena änden av pappersremsan är belagd med ett hydrofobt material, medan den andra är belagd med en kemoattraherande substans - ett ämne som attraherar celler baserat på deras kemiska egenskaper. I den hydrofoba änden är skräddarsydda kemiska reagenser inbäddade i papperet i en reaktionszon. Papperet doppas i vattenprovet och om E. coli är närvarande kommer det att attraheras av kemoattraktanten i ena änden av papperet. Bakteriecellerna kommer sedan att röra sig upp på papperet via kapillärverkan, och när det väl når reaktionszonen reagerar det med reagenserna för att producera en rosa till röd färg.
För att upptäcka Salmonella
En pappersbaserad biosensor som kan användas för att detektera Salmonella , såväl som E. coli , använder nanomaterialet grafen . Dessa remsor är en form av sidoflödesanalys, där testlinjen är sammansatt av fluorescensantikroppsmärkta CdSe / ZnS kvantprickar (Ab-QDs) som prober. Efter att provet har applicerats tillsätts grafenoxid och det fungerar som det avslöjande medlet. En energiöverföring sker mellan en donatormolekyl och en acceptormolekyl. När ingen Salmonella är närvarande fungerar Ab-QDs som donator, med grafen som acceptor, och fluorescensen i testlinjen släcks av denna energiöverföring. Förekomsten av Salmonella tillåter å andra sidan fluorescens på grund av det sätt på vilket bakteriecellerna binder till Ab-QD:erna: avståndet mellan donatorn och acceptorn är för stort för att tillåta energiöverföringen, och därför är fluorescensen inte släckt. Remsorna har en detektionsgräns på 100 CFU/mL.
Ansökningar
Sammanhang
Årligen dör över 1,6 miljoner människor till följd av patogener från förorenat vatten. I utvecklingsländerna dör 2 200 barn per dag av vattenburna sjukdomar. Enligt Världshälsoorganisationens ( WHO) standarder, för att vatten ska anses vara tillräckligt rent för att dricka, bör bakterier vara omöjliga att upptäcka i något prov på 100 ml. De primära föroreningarna i vatten är patogener, såsom bakterierna Campylobacter , Clostridium , Salmonella, , Anabaena , Microcystis , maskar Schistosoma mansoni Staphylococcus som och Taenia saginata , protozoer som Entamoeba histolytica och Giardia virus som . fungi och virus och mikrosporidier . Utbrott av vattenburna sjukdomar, såsom kolera , har drabbat miljoner under 1800- och 1900-talen under loppet av flera pandemier, vanligtvis som ett resultat av otillräckliga system för rening av avloppsvatten och allmän sanitet. Detta är dock inte ett problem från tidigare årtionden. Så sent som 2015 fann man att 1,3 miljarder människor löper risk för kolera årligen, med 2,86 miljoner årliga fall och uppskattningsvis 95 000 dödsfall. Kolera är dock bara ett exempel på vattenburna sjukdomar, och mer allmänt saknar 780 miljoner människor världen över fortfarande tillgång till rent dricksvatten.
Fördelar
Traditionella metoder för att upptäcka föroreningar i vatten, även om de är mycket exakta och känsliga, utgör ett antal hinder. De är ofta dyra, kräver drift av en utbildad tekniker och är arbetsintensiva. De kan också vara tidskrävande, till exempel kräver mikrobiologiska analyser odling och isolering av patogenen från provet, vilket kan ta flera dagar eller till och med veckor, förutom att förbereda media. Pappersbaserade biosensorer löser många av dessa problem. Specifikt har papper som material flera fördelar. Ingen extern ström krävs, eftersom provet färdas genom enheten via kapillärverkan . Dess fibernätverksstruktur möjliggör lagring av nödvändiga reagenser i aktiv form. Det är också kostnadseffektivt, har ett högt förhållande mellan ytarea och volym, absorberar provet effektivt och är lätt att kassera genom förbränning .
I allmänhet kan inställningar med begränsade resurser dra nytta av låg kostnad, lättanvänd, på plats och snabb testning av vattenprover. Därutöver finns ett behov av hemtjänsttest. Utbredd distribution av adekvata men billiga diagnostiska enheter, såsom pappersbaserade biosensorer, skulle potentiellt kunna lindra sjukdomsbördan. Utöver det kan det också resultera i mer exakta epidemiologiska falldata som kan förbättra sjukdomsmodellerna.
Begränsningar
Den viktigaste begränsningen för denna teknik är dess känslighet, med andra ord dess förmåga att detektera mycket låga nivåer av en förorening i provet. Några av de mest känsliga ELISA kan upptäcka föroreningar i nivåer så låga som 20 CFU/ml. Förutom att förbättra noggrannheten - den korrekta identifieringen av en viss patogen - är en annan utmaning att utveckla biosensorer som lätt kan skilja mellan olika typer av patogener. Slutligen har själva pappersmaterialet, även om det erbjuder många fördelar, vissa nackdelar också. Till exempel finns det en gräns för hur väl pappersanordningar kan styra provets flödeshastighet och riktning. Detta introducerar begränsningar när det gäller hantering av komplexa kemiska föreningar eller hantering av flerstegsanalyser, beroende på vilken biosensor det gäller.