В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Matter , исследователи продемонстрировали обнаружение респираторных инфекционных заболеваний с помощью биоэлектронных масок.

Респираторные вирусы могут продолжать циркулировать в воздухе через капли или аэрозоли в течение инкубационного периода передачи от человека к человеку. Согласно исследованиям, один кашель, чихание или даже несколько минут разговора могут привести к образованию тысяч инфекционных капель, содержащих вирус, которые могут оставаться в воздухе в качестве среды передачи в течение длительного времени. Следовательно, наиболее перспективным методом ранней диагностики серьезных инфекционных заболеваний, таких как тяжелый острый респираторный синдром, вызванный коронавирусом 2 (SARS-CoV-2), может быть прямое обнаружение вирусов в воздухе. Прямое исследование воздушно-капельных сред является малоиспользуемым подходом к диагностике инфекционных заболеваний органов дыхания.

Обзор биоэлектронной маски

В настоящем исследовании исследователи разработали носимую биоэлектронную маску, которая была интегрирована с ионно-затворными транзисторами (IGT) для обнаружения респираторных инфекций.

Биоэлектронный гаджет, расположенный снаружи маски, может сразу же оценить заразные вирусы в воздухе, пока человек носит маску. Беспроводная обратная связь данных также может быть одновременно получена в режиме реального времени на мобильном устройстве. Дыхательный клапан, печатная плата (PCB) и устройство IGT с поли(2,3-дигидротиено-1,4-диоксин)-поли(стиролсульфонатом) (PEDOT:PSS) в качестве материалов каналов включены в биоэлектронный маска. Ионный гель ромбоэдрического поливинилового спирта (ПВС) с ионной жидкостью (ПВС-ИЛ) использовали для нанесения трехканального полимеризованного IL-IGT (PIL-IGT) на электроды. Устройство хорошо подходило для изгиба поверхности лицевой маски, поскольку оно было изготовлено из тонкой гибкой подложки из полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Кроме того, был предоставлен съемный дыхательный клапан для закрытия IGT, обнаруживающего PIL.

Изготовление, принципы работы и производительность PIL-IGT

В качестве основного компонента ионного геля был использован ПВС благодаря его высокой биосовместимости. При добавлении к ионному гелю 1-этил-3-метилимидазол-бис(трифторметилсульфонил)имида (EMIM: TFSI), широко известного как PVA-IL, ионная проводимость увеличивалась. Система двойного растворителя, состоящая из воды и диметилсульфоксида (ДМСО), использовалась в качестве дисперсионной среды для улучшения диспергируемости липофильного EMIM:TFSI в ПВС.

NutriBiotic, Immunity, аскорбат натрия, кристаллический порошок, 227 г (8 унций)

Трехмерная (3D) печать использовалась для создания дизайна ионного геля PAV-IL на трех разных каналах PIL-IGT. Кроме того, производство транзисторов было упрощено за счет пригодности для печати ионного геля ПВА-ИЖ. Крупномасштабные PIL-IGT могут быть изготовлены с использованием программируемой печати и гомогенного ионного геля PVA-IL, что может помочь минимизировать дисперсию устройств. Кроме того, печать с фиксированной точкой позволяла тщательно регулировать покрытие геля ионами PVA-IL.

Когда положительное напряжение подается на электрод затвора, положительные ионы движутся к слою канала ионного геля/PEDOT:PSS, образуя двойной электрический слой (EDL), тогда как отрицательные ионы в ионном геле PVA-IL мигрируют и накапливаются на интерфейс ионный гель/электрод затвора. Благодаря своей ионной проводимости PEDOT:PSS можно вводить и легировать частичными положительными ионами в ионном геле PVA-IL. Легирование положительными ионами способствует протеканию реакции в положительном направлении. Проводящее основное тело (PEDOT — ) в активном слое возвращалось к нейтральности (PEDOT 0 ) в результате конкуренции за отрицательно заряженные группы (PSS — ), что проявлялось в снижении тока, протекающего между токовым электродом и электродом. исходный электрод.

Ток исток-сток (I ds ) на выходных кривых уменьшался по мере того, как напряжение затвор-исток (V gs ) повышалось с шагом 0,2 В, демонстрируя заметный эффект стробирования напряжения затвора при воздействии ионного геля PVA-IL. Значительный омический контакт между материалами канала и ионным гелем ПВС-ИЖ также был продемонстрирован кривой зависимости между током исток-сток и напряжением исток-сток. Это может быть результатом текучести ионного геля перед формованием и гибкости после формования.

Обнаружение целей в следовой жидкости

Белок-мишень исследовали с помощью PIL-IGT, иммобилизовав множество аптамеров в качестве биологических зондов. При исследовании учитывалась уникальная адаптивность аптамеров к температуре, рН и химическим условиям.

Реагирование PIL-IGT как универсальной платформы для обнаружения оценивали с использованием белков респираторных инфекционных заболеваний, включая SARS-CoV-2, H1N1 и H5N1. Было обнаружено, что по мере роста количества шиповидных белков SARS-CoV-2 с 0,1 фг/мл до 10 нг/мл кривая переноса PIL-IGT демонстрировала заметный сдвиг в сторону более низкого уровня напряжения затвора. После связывания с белками-мишенями аптамеры претерпевают конформационные перестройки. Это изменило эффективное напряжение затвора в цепи затвора, а также распределение и концентрацию поверхностных зарядов на электроде затвора.

Обнаружение целей в газовых средах

Для имитации распространения аэрозолей на открытой местности использовался распылитель. Распылитель производил распыляющий газ, размер которого мог достигать 3-5 мм, что примерно соответствует размеру переносимых по воздуху капель. Изменения напряжения затвора, наблюдаемые при воздействии на PIL-IGT шиповидных белков SARS-CoV-2 в распыляющем газе, соответствовали изменениям, наблюдаемым при обнаружении следов жидкости. Подобно тому, что было отмечено для распыляющего газа, содержащего белки H1N1 и H5N1, PIL-IGT также продемонстрировал градиентное падение напряжения затвора, продемонстрировав свою способность тестировать мишени в распыляющем газе.

Подводя итог, в исследовании описаны характеристики носимого биоэлектронного маскировочного устройства на основе IGT с ионным гелем в качестве диэлектрического слоя.