[論文レビュー] Review: Graphene-based biosensor for Viral Detection

Amine El Moutaouakil, Suhada Poovathy+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

SARS-CoV-2 detection and testing参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本レビューでは、グラフェンの優れた電気的および熱的特性を活用して、エボラ、ジカ、インフルエンザなどのウイルスをラベルフリーでリアルタイムにモニタリング可能な、迅速かつ高感度なウイルス検出を実現するグラフェンベースのバイオセンサーについて検討する。設計、機能化、性能の分野における最近の進展を強調し、パンデミック対策における低コストで高感度な診断技術の可能性を示す。

ABSTRACT

Viral infections are among the main reasons for serious pandemics and contagious infections; hence, they cause thousands of fatalities and economic losses annually. In the case of COVID-19, world economies have shut down for months, and physical distancing along with drastic changes in the social behavior of many humans has generated many issues for all countries. Thus, a rapid, low-cost, and sensitive viral detection method is critical to upgrade the living standards of humans while exploiting biomedicine, environmental science, bioresearch, and biosecurity. The emergence of various carbon-based nanomaterials such as carbon nanotubes, graphene, and carbon nanoparticles provided a great possibility for researchers to develop a new and wide variety of biosensors. In particular, graphene has become a promising tool for biosensor fabrication owing to its many interesting properties, such as its exceptional conductivity, ultrahigh electron mobility, and excellent thermal conductivity. This paper provides an overall perspective of graphene-based biosensors and a critical review of the recent advances in graphene-based biosensors that are used to detect different types of viruses, such as Ebola, Zika, and influenza.

研究の動機と目的

• グラフェンベースのバイオセンサーによるウイルス検出分野における最新技術の評価を目的とする。
• 病原性ウイルスの迅速かつ高感度でコスト効率の良い検出を達成するための主な課題を特定することを目的とする。
• グラフェンが示す特異な物理的・化学的特性がバイオセンサー性能をどのように向上させるかを分析することを目的とする。
• 最近のバイオセンサー設計で用いられている機能化戦略およびトランスダクションメカニズムの包括的概要を提供することを目的とする。
• グラフェンバイオセンサーが医療・環境・生物セキュリティ分野における応用に果たす可能性を強調することを目的とする。

提案手法

• 2020年までに発表されたグラフェンベースのバイオセンサーに関する査読付き論文を対象とした体系的レビュー。
• フィールド効果トランジスタ（FET）、電気化学的、光学的検出法を含む、さまざまなトランスダクションメカニズムの分析。
• ウイルス特異的レセプター（例：抗体、アプタマー、ペプチド）を用いたグラフェンの機能化技術の評価。
• 検出限界、応答時間、再現性といったセンサー性能指標を、さまざまなウイルス標的に対して評価。
• 感度、コスト、スケーラビリティの観点から、従来の検出法とグラフェンベースのシステムを比較。
• グラフェンの特性とバイオセンシング性能の相関関係を明らかにするために、構造的および電気的特性の測定データを活用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェンの固有の性質は、ウイルス検出用バイオセンサー性能をどのように向上させるか？
• RQ2 特異的かつ高感度なウイルス認識を達成するための最も効果的な機能化戦略は何か？
• RQ3 フィールド効果トランジスタ（FET）や電気化学的検出法などの異なるトランスダクションメカニズムは、低濃度のウイルス粒子検出においてどのように比較されるか？
• RQ4 ラボスケールのプロトタイプから臨床的・現地応用へのグラフェンバイオセンサーの実用化に向けた現在の制約要因は何か？
• RQ5 グラフェンベースのバイオセンサーは、新興ウイルス病原体の迅速かつ低コストでポイント・オブ・ケア検出をどの程度可能にするか？

主な発見

• グラフェンベースのバイオセンサーは、さまざまなウイルスに対してピコモルからナノモルの範囲の検出限界を示しており、高い感度を示している。
• アプタマーまたは抗体を用いた機能化により、ジカウイルスやインフルエンザウイルス由来のウイルス抗原に対する特異的認識が可能になった。
• フィールド効果トランジスタ（FET）ベースのグラフェンバイオセンサーは、高い電子移動度と表面感度のおかげで、応答時間が数秒未塔となることが多かった。
• 金ナノ粒子などの導電性ナノ材料で修飾された電気化学的グラフェンバイオセンサーは、信号対ノイズ比が向上した。
• グラフェンをマイクロフルイディクスシステムと統合することで、サンプル処理と検出効率が向上し、ポイント・オブ・ケア応用を支援した。
• 有望な結果が得られているものの、長期的安定性、バッチ間再現性、および複雑な生物学的マトリックスにおける実世界での妥当性の確認という課題が依然として残っている。