1. À l'exception du réseau de capteurs, l'unité utilise des composants électroniques standard et des techniques de fabrication, et comprend un module Bluetooth intégré.

Les capteurs portables détectent les symptômes respiratoires et cardiaques

Cet article a paru dans Electronic Design et a été publié ici avec permission.

Ce que vous apprendrez:

  • Comment fonctionne l’unité de détection à réponse rapide?
  • Quels composants ont été utilisés pour créer l’unité RapidPlex et comment a-t-elle été construite?

Ce serait une avancée majeure s’il y avait un instrument de test de base ou un frontal qui pourrait déterminer si quelqu’un héberge le virus COVID-19 – et bientôt cela pourrait être une réalité. Une équipe du California Institute of Technology (Caltech) a développé une unité électronique autonome avec des balises biochimiques spécifiques hautement réglées qui peuvent permettre de tester «sur place» la présence du virus, même chez les personnes qui ne présentent aucun symptôme. Les résultats arriveraient dans environ 10 minutes.

L’unité SARS-CoV-2 RapidPlex de l’équipe utilise une combinaison de plusieurs capteurs à faible coût, suivie du traitement des données et des rapports au smartphone de l’utilisateur et même des aspects de télémédecine liés. (Fig. 1).

1. À l’exception du réseau de capteurs, l’unité utilise des composants électroniques standard et des techniques de fabrication, et comprend un module Bluetooth intégré.

Ces capteurs peuvent détecter des niveaux extrêmement bas de composants spécifiques dans le sang, la salive ou la sueur. L’unité quantifie électrochimiquement trois biomarqueurs moléculaires importants:

  • La protéine nucléocapside du SRAS-CoV-2 (le virus lui-même)
  • Les protéines de réponse immunitaire anti-pic IgG et IgM (anticorps contre le virus)
  • La protéine C-réactive (CRP) (inflammation liée à la gravité de l’infection)
  • L’unité détecte rapidement ces biomarqueurs ainsi qu’une sensibilité et une sélectivité moléculaires élevées. Les résultats de l’étude pilote indiquent qu’elle peut détecter avec succès ces biomarqueurs dans les échantillons de sérum et de salive de patients COVID-19 positifs, et les résultats de la CRP sont bien corrélés à la gravité des symptômes.

Divulgation importante: Jusqu’à présent, l’appareil n’a été testé en laboratoire qu’avec un petit nombre d’échantillons de sang et de salive obtenus à des fins de recherche médicale auprès de personnes qui ont été testées positives ou négatives pour COVID-19. Le chercheur principal, le professeur Wei Gao, a noté que bien que les résultats préliminaires indiquent que le capteur est très précis, un test à plus grande échelle avec des patients réels plutôt que des échantillons de laboratoire doit être effectué pour déterminer définitivement sa précision.

Outre la compréhension approfondie de la biochimie pertinente et hautement sophistiquée, la clé de la viabilité de cet instrument sont les capteurs et leurs revêtements. La plateforme utilise des antigènes capturés et des anticorps immobilisés sur des électrodes de graphène gravées au laser pour créer des micropores. Ce procédé peu coûteux et pouvant être produit en série crée une grande surface sur le capteur pour le rendre suffisamment sensible pour détecter des composés qui ne sont présents qu’en quantités minuscules.

Le réseau de capteurs RapidPlex comprend quatre électrodes de travail en graphène (WE), une électrode de référence Ag / AgCl (RE) et une contre-électrode en graphène (CE). Tous sont modelés sur un substrat en polyimide (PI) via CO2 la gravure laser, qui est une méthode de production rapide, à haut débit et rentable (Fig. 2).

2. (A) Illustration schématique de la plate-forme de télémédecine multicapteur SRAS-CoV-2 RapidPlex pour la détection des protéines virales SARS-CoV-2, des anticorps (IgG et IgM) et de la protéine C-réactive de biomarqueur inflammatoire (CRP).  Les données peuvent être transmises sans fil à une interface utilisateur mobile (WE, électrode de travail; CE, contre-électrode; RE, électrode de référence).  (B) Matrices de capteurs de graphène gravés au laser pouvant être produites en masse.  (C) Photographie d'un tableau de graphène jetable et flexible.  (D) Image d'un système SARS-CoV-2 RapidPlex avec un réseau de capteurs de graphène connecté à un PCB pour le traitement du signal et la communication sans fil.2. (A) Illustration schématique de la plate-forme de télémédecine multicapteur SRAS-CoV-2 RapidPlex pour la détection des protéines virales SARS-CoV-2, des anticorps (IgG et IgM) et de la protéine C-réactive de biomarqueur inflammatoire (CRP). Les données peuvent être transmises sans fil à une interface utilisateur mobile (WE, électrode de travail; CE, contre-électrode; RE, électrode de référence). (B) Matrices de capteurs de graphène gravés au laser pouvant être produites en masse. (C) Photographie d’un tableau de graphène jetable et flexible. (D) Image d’un système SARS-CoV-2 RapidPlex avec un réseau de capteurs de graphène connecté à un PCB pour le traitement du signal et la communication sans fil.

Les propriétés supérieures du graphène de mobilité de charge et de surface élevées, combinées à la sensibilité et à la sélectivité élevées des stratégies de détection impliquant à la fois des récepteurs de capture et de détection, devraient faire de cet appareil un outil pratique pour la détection rapide, précise et spécifique à l’étape de l’infection COVID-19 dans le sang, ainsi que dans les biofluides non invasifs tels que la salive.

Le revêtement du capteur utilise de l’acide 1-pyrénébutyrique (PBA) comme «lieur» pour ancrer les récepteurs requis à la couche de graphène. Les unités pyrène du PBA interagissent fortement avec les couches de graphène de la manière dont la structure et les propriétés originales du graphène sont bien conservées. Ceci a été combiné avec une stratégie de blocage optimale pour les réactions et affinités indésirables, de sorte que le PBA peut être utilisé pour immobiliser des sondes biomoléculaires spécifiques (par exemple, des anticorps, des protéines).

Les performances et la sélectivité de chaque biocapteur construit ont été individuellement et soigneusement évaluées, après quoi l’équipe a démontré les capacités de multiplexage de leur dispositif à matrice de graphène à quatre électrodes de travail (4WE). (Fig. 3). Des techniques avancées telles que la voltamétrie différentielle à impulsions (DPV) et la spectroscopie d’impédance électrochimique de potentiel en circuit ouvert (OCP-EIS) ont été utilisées pour caractériser électrochimiquement les processus du capteur.

3. Sur la gauche, un schéma de principe de la plate-forme SARS-CoV-2 RapidPlex montre UART, MCU, DAC, ADC et d'autres blocs fonctionnels clés.  Sur la droite, une illustration schématique de la disposition du réseau de capteurs de graphène.3. Sur la gauche, un schéma de principe de la plate-forme SARS-CoV-2 RapidPlex montre UART, MCU, DAC, ADC et d’autres blocs fonctionnels clés. Sur la droite, une illustration schématique de la disposition du réseau de capteurs de graphène.

Lors de l’utilisation, des lectures ampérométriques (où un potentiel optimal est appliqué à la cellule électrochimique et un courant correspondant est obtenu en raison d’une réaction de réduction ou d’oxydation) des quatre canaux sont prises simultanément. Les données sont transmises à un appareil utilisateur via une liaison Bluetooth.

Du point de vue de la conception électronique, une fois que vous avez terminé avec les problèmes liés aux capteurs – leur fabrication, leur revêtement, leur étalonnage et le frontal analogique – les circuits restants sont assez simples. Le système électronique, y compris la carte de circuit imprimé et une batterie polymère lithium-ion, mesure 20 × 35 × 7,3 mm et peut effectuer des mesures en continu pendant plus de cinq heures sur une seule charge.

Les détails du projet sont fournis dans leur article «SARS-CoV-2 RapidPlex: Une plateforme de télémédecine multiplexée à base de graphène pour un diagnostic et une surveillance rapides et à faible coût du COVID-19», publié dans Matière (il est également affiché ici s’il y a un problème avec le lien à Matière), ainsi que du matériel supplémentaire. Mais sachez qu’environ 95% du papier traite de la biochimie complexe, de la fabrication et des performances des capteurs, alors que l’électronique assez standard est réduite à un paragraphe. Cependant, l’article vous donnera certainement une appréciation du niveau impressionnant de connaissances en biologie infectieuse et en biochimie nécessaires (à la fois théoriques et pratiques), ainsi que des connaissances sophistiquées en laboratoire humide et une expertise pratique requises pour des projets tels que celui-ci.

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