29 декабря 2021

Графеновый биосенсор помог обнаружить плесневый токсин в вине с рекордной скоростью и точностью

  • Биосенсорика
  • Нанотехнологии
  • Микробиология

Российские ученые вместе с зарубежными коллегами испытали свой биосенсор на основе графена и специфичных к плесневым токсинам нуклеиновых цепочек в определении качества вина. Чувствительность устройства составила порядка триллионных долей моль вещества на литр, а определение занимает менее минуты. Это делает его не только отличной альтернативой дорогим и сложным классическим методам, но и рекордсменом среди аналогичных микотоксиновых датчиков. Результаты работы, выполненной при поддержке грантов Российского научного фонда (РНФ), опубликованы на страницах престижного журнала Biosensors & Bioelectronics.

Графеновый биосенсор помог обнаружить плесневый токсин в вине с рекордной скоростью и точностью
Фотография сенсора
Источник: Иван Бобринецкий

Если продукт поразила плесень, его нельзя употреблять, даже если убрать пораженную часть: мицелий грибка уже пророс по всему продукту — распространились и его микотоксины, опасные для здоровья человека и животных. Это касается и жидких продуктов, в частности вина. Его сусло может быть заражено микроорганизмом, колонии могут остаться в бочке или даже в плохо обработанной бутылке. Таким напитком можно серьезно отравиться, а потому важно отслеживать наличие микотоксинов еще до того, как вино окажется на прилавке магазина или на праздничном столе.

«Для этих целей традиционно используют высокоэффективную жидкостную хроматографию-масс-спектрометрию и иммуноферментный анализ — высокоточные методы, но довольно трудоемкие и требующие привлечения специально обученного человека. Вино, которое производится на крупных винодельнях, постоянно проходит такую проверку, но, например, в домашнем виноделии доступа к контрольному оборудованию может не быть. Мы предложили простой в использовании, быстрый и рекордно чувствительный биосенсор для определения микотоксинов», — рассказывает Иван Бобринецкий, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнологии».

Ученые Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Зеленоград) и Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН (Москва) совместно с сербскими и американскими коллегами представили биосенсор на основе графеновых полевых транзисторов и аптамеров — коротких цепочек ДНК, специфически связывающихся с наиболее встречающимся микотоксином — охратоксином А, который вырабатывают плесневые грибки из рода Аспергилл и Пеницилл. При попадании в организм это вещество нарушает работу нервной и иммунной систем, почек, печени, а при частом употреблении может вызвать развитие раковых опухолей. Большая его опасность в том, что оно не может быть обезврежено ни химической обработкой, ни нагреванием.

Датчик представляет собой кремниевую подложку с металлическими дорожками. На них перенесен слой графена, а к нему химически «привешены» аптамеры. Принцип работы биосенсора основан на том, что аптамеры при связывании с охратоксином изменяют свою конфигурацию (наподобие сворачивания в спираль в цепочке ДНК). Этого оказывается достаточно, чтобы повлиять на количество путешествующих электронов в графене. В результате изменяются электрические свойства материала, что можно увидеть при помощи специальных измерительных приборов, подключенных к биосенсору. Чем выше концентрация определяемого вещества в образце, тем сильнее будет сигнал.

Для удобства получившиеся чипы заключили в крошечные контейнеры, куда можно налить исследуемый образец — достаточно всего лишь капли. Авторы опробовали разработку на предварительно загрязненном охратоксином А красном и белом вине. Биосенсоры смогли обнаружить рекордно низкие концентрации вещества — триллионные доли моль на литр, что на два порядка ниже допустимого значения. Сигнал появлялся уже менее чем через минуту. Интересно, что в случае буферных (со стабильным рН) растворов микотоксина скорость определения и вовсе составляет 10 секунд. Ученые объясняют такое различие сложным составом и кислотностью вина, но считают, что можно адаптировать систему.

«Наши биосенсоры показали рекордные скорость и точность выявления охратоксина А, которыми не могут похвастаться наши коллеги, разработавшие аналогичные устройства. Пробоподготовка образцов максимально проста, не нужна калибровка, а очистка чипов не представляет сложностей. Разработанный биосенсор содержит 30 графеновых датчиков. Набор аптамеров можно расширить, чтобы определять больше опасных для человека соединений за раз», — подводит итог Иван Бобринецкий.

 

Источник:  Пресс-служба РНФ

Публикации из новости

Real-time detection of ochratoxin A in wine through insight of aptamer conformation in conjunction with graphene field-effect transistor
Nekrasov N., Jaric S., Kireev D., Emelianov A.V., Orlov A.V., Gadjanski I., Nikitin P.I., Akinwande D., Bobrinetskiy I.
Q1 Biosensors and Bioelectronics 2022 цитирований: 0