活细菌在石墨烯上“独奏”
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二维材料石墨烯基本上都是表面的。这使得它对原子或分子高度敏感，因为它的整个体积可以用作传感器表面。这使得研究人员和工业界将石墨烯作为生物传感器和电子传感器，用于检测环境的最小变化。现在，荷兰代尔夫特理工大学（TU Delft）的研究人员成功使用石墨烯捕捉到了单一细菌的低水平噪音。相关研究发表在近期的《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上。研究中，代尔夫特大学的研究人员发明了一种能够感知物体（如细菌）的装置，这种物体粘附在石墨烯鼓的表面，并产生纳米级振幅的振荡。“当一个细菌粘附在石墨烯鼓上时，它可以在石墨烯上传递一个随时间变化的偏转，然后通过激光检测，”代尔夫特大学助理教授兼该项目首席研究员Farbod Alijani说。研究团队最初是研究石墨烯的基本力学原理，但他们想知道如果这种极其敏感的材料与单个生物物体接触会发生什么。石墨烯是碳的一种存在形式，由单层原子组成，也被称为‘神奇材料’ —— 它非常坚固，具有良好的电气和机械性能，而且对外力也非常敏感。研究人员对大肠杆菌进行了首次实验。结果发现，当细菌附着在石墨烯鼓的表面时，它会产生幅度低至几纳米的随机振动，研究人员可以检测并听到单个细菌的声音。这些运动表现为与生物过程一致的频谱内的噪声信号。Alijani表示，这是首次能够检测到单个细菌在其含水生长环境中发出的声音。该传感器正在检测主要来自鞭毛运动的振荡，鞭毛是推动细菌穿过其环境的尾巴状结构。Alijani说，打个比方，如果也让细菌来打拳击沙袋的话，它们至少比人类拳击手的拳头力度小100亿倍。现在，这些纳米级的“节拍”可以被转换为音轨并被听到了。Alijani认为，该技术能够在纳米尺度上追踪细菌运动的变化，这有助于抗生素的使用，并使其成为监测抗生素耐药性的一个有价值的工具。抗生素耐药性是通过监测振荡水平来确定的。持续的振荡表明该细菌是活的，并且对抗生素有抵抗力。振荡的减少表明抗生素正在杀死细菌。Alijani指出，虽然目前市场上有许多半自动抗生素敏感性测试，但细菌需要生长，这需要时间。Alijani说，与目前至少需要24到48小时的抗生素敏感性试验相比，这种新的试验仅在1到2小时内就提供了明确的抗生素耐药性指标。Alijani说：“我们的技术在灵敏度和速度方面都很突出，因为它可以使用许多并行传感器在单细胞水平上执行抗生素敏感性。”他指出，一个芯片可以容纳多达10000个传感器。这种石墨烯传感器属于生物传感器，而不是电子传感器。石墨烯在生物传感器中的应用正在获得广泛的商业用途，而基于石墨烯的电子传感器仍处于早期阶段，英国Paragraf等公司开始推出基于石墨烯的霍尔效应传感器。Alijani补充道：“我们是通过光学而非电子方式接收振动的，而鼓的驱动仅仅是由细菌本身完成的（没有电驱动） —— 振动传感器的是细菌。”TU Delft团队使用的石墨烯被称为化学气相沉积（chemical vapor deposition，CVD）双层石墨烯。CVD石墨烯的生产成本明显低于机械剥离石墨烯，而机械剥离石墨烯需要通过一种称为“透明胶带”的方法一次剥离一个原子层。这使得制作该设备的原材料更加实惠。Alijani说，虽然原料因素始终是一个重要因素，“开发的下一步是验证该技术，以对抗各种不同作用模式的细菌和抗生素。随着我们将技术推向市场，我们将很快与我们的汽化合作伙伴合作启动一家初创公司。”在接下来的步骤中，研究小组将进一步优化读出系统，并更好地了解单个细菌的生物物理过程与检测到的纳米级振动之间的关系。
IEEE Spectrum
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