Grafeen kan worden gebruikt om COVID-19 snel en nauwkeurig te detecteren

Onderzoekers van de University of Illinois Chicago hebben met succes grafeen – een van de sterkste en dunste bekende materialen – gebruikt om het SARS-CoV-2-virus te detecteren in laboratoriumexperimenten. De onderzoekers zeggen dat de ontdekking een doorbraak kan zijn in de detectie van coronavirus, met mogelijke toepassingen in de strijd tegen COVID-19 en zijn varianten.

In experimenten combineerden onderzoekers vellen grafeen, die meer dan 1000 keer dunner zijn dan een postzegel, met een antilichaam dat is ontworpen om het beruchte spike-eiwit op het coronavirus te richten. Vervolgens maten ze de trillingen op atomair niveau van deze grafeenvellen bij blootstelling aan COVID-positieve en COVID-negatieve monsters in kunstmatig speeksel. Deze vellen zijn ook getest in aanwezigheid van andere coronavirussen, zoals het ademhalingssyndroom van het Midden-Oosten of MERS-CoV.

De UIC-onderzoekers ontdekten dat de trillingen van het antilichaam-gekoppelde grafeenvel veranderden wanneer ze werden behandeld met een COVID-positief monster, maar niet wanneer ze werden behandeld met een COVID-negatief monster of met andere coronavirussen. Trillingsveranderingen, gemeten met een apparaat dat een Raman-spectrometer wordt genoemd, waren binnen vijf minuten duidelijk.

Hun bevindingen worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

“We ontwikkelen al vele jaren grafeensensoren. In het verleden hebben we detectoren gebouwd voor kankercellen en ALS. Het is moeilijk voor te stellen dat een dringender toepassing nodig is dan om de verspreiding van de huidige pandemie in te dammen”, zegt Vikas Berry, professor en hoofd van chemische technologie aan het UIC College of Engineering en senior auteur van het artikel. “Er is een duidelijke behoefte in de samenleving aan betere manieren om COVID en zijn varianten snel en nauwkeurig te detecteren, en dit onderzoek heeft het potentieel om echt een verschil te maken. De aangepaste sensor is zeer gevoelig en selectief voor COVID, en is snel en goedkoop .”

“Dit project was een verbazingwekkend nieuw antwoord op de behoefte en vraag naar detectie van virussen, snel en nauwkeurig”, zegt co-auteur Garrett Lindemann, een onderzoeker bij Carbon Advanced Materials and Products, of CAMP. “De ontwikkeling van deze technologie als klinisch testapparaat heeft veel voordelen ten opzichte van de momenteel ingezette en gebruikte tests.”

Berry zegt dat grafeen unieke eigenschappen heeft die het zeer veelzijdig maken, waardoor dit type sensor mogelijk is.

Grafeen is een materiaal van één atoom dik dat bestaat uit koolstof. Koolstofatomen zijn gebonden door chemische bindingen waarvan de elasticiteit en beweging resonerende trillingen kunnen produceren, ook wel fononen genoemd, die zeer nauwkeurig kunnen worden gemeten. Wanneer een molecuul zoals een SARS-CoV-2-molecuul interageert met grafeen, verandert het deze resonerende trillingen op een zeer specifieke en kwantificeerbare manier.

“Grafeen is slechts één atoom dik, dus een molecuul op het oppervlak is relatief enorm en kan een specifieke verandering in zijn elektronische energie veroorzaken”, zei Berry. “In dit experiment hebben we grafeen gemodificeerd met een antilichaam en in wezen gekalibreerd om alleen te reageren met het SARS-CoV-2 spike-eiwit. Met behulp van deze methode kan grafeen op dezelfde manier worden gebruikt om COVID-19-varianten te detecteren.”

De onderzoekers zeggen dat de potentiële toepassingen voor een grafeensensor op atomair niveau – van het detecteren van COVID tot ALS tot kanker – blijven toenemen.