Hoe dragen geavanceerde nanodiagnostische systemen bij aan snelle en nauwkeurige detectie van infectieziekten?

De ontwikkeling van nanodiagnostische technologieën, met name die gebaseerd op draagbare en snelle detectiemethoden, markeert een belangrijke vooruitgang in de strijd tegen infectieziekten. Door het gebruik van magnetische nanodeeltjes en geavanceerde detectiesystemen zoals de draagbare DMR-sensor (Diamond Magneto Resonance), wordt het mogelijk om ongeprepareerde biologische monsters zoals bloed, urine of sputum snel te analyseren. De DMR-sensor werkt via zelfversterkende proximiteitstesten, waarbij magnetische nanodeeltjes fungeren als sensoren die interactie aangaan met doelmoleculen of eiwitten, wat leidt tot een verandering in de spin-relaxatietijd. Dit signaal wordt elektronisch uitgelezen met behulp van kernspinresonantie (NMR) technologie. Deze methode biedt een aanzienlijk snellere analyse dan conventionele oppervlakte-gebaseerde nanodevices, waarbij monsters uitgebreid voorbereid moeten worden.

Een belangrijke innovatie is dat deze systemen bacteriën en biomerkers gelijktijdig kunnen detecteren, wat ze bijzonder geschikt maakt voor point-of-care (POC) diagnostiek met een laag kostenniveau en hoge outputcapaciteit. Dit opent perspectieven voor grootschalige opsporing van infectieziekten, waarbij de analyse zelfs kan plaatsvinden zonder externe magnetische velden, wat de mobiliteit en het gebruiksgemak vergroot. De ontwikkeling van magneto-DNA probes die gericht zijn op 16S rRNA-sequenties van bacteriën stelt clinici in staat om binnen enkele uren een gedetailleerd profiel van pathogenen in klinische monsters te verkrijgen. Deze aanpak overtreft conventionele kweek- en real-time PCR-methoden in snelheid en kosten, en maakt het mogelijk om tot dertien pathogenen binnen twee uur te detecteren.

Naast DMR-technologieën zijn er ook systemen zoals het Magnetic Barcode Assay System (MBAS) die gericht zijn op snelle nucleïnezuurdetectie, bijvoorbeeld bij tuberculose. MBAS combineert DNA-extractie, magnetische labeling en PCR-amplificatie in een geïntegreerd microfluïdesysteem dat een gevoeligheid en specificiteit biedt die klinisch gevalideerd zijn. Door gebruik te maken van fluorescentiequantumdots en magnetische deeltjes, kunnen infectieuze bacteriën gedetecteerd worden bij zeer lage concentraties, wat van groot belang is in ontwikkelingslanden waar tuberculose nog steeds een ernstig probleem vormt.

Innovaties in optische diagnose maken gebruik van gepolariseerde lichtmicroscopie gekoppeld aan smartphones. Deze methode maakt het mogelijk om pathogenen te detecteren bij lage concentraties, waar traditionele microscopische technieken tekortschieten. Een opmerkelijke toepassing is de diagnose van malaria en filariasis via een eenvoudig aan een smartphone gekoppeld microscoopsysteem met 40-voudige vergroting. Deze methode vereist minimale monsterpreparatie en toont hoge sensitiviteit en specificiteit, wat de diagnostiek in afgelegen gebieden aanzienlijk kan verbeteren.

Ook de ontwikkeling van dongle-platforms die smartphones uitbreiden met nanodiagnostische functies speelt een cruciale rol. Deze compacte apparaten, die functioneren als volwaardige laboratoriumapparatuur, maken gebruik van goud- en zilvernanodeeltjes voor detectie, en kunnen meerdere immunoassays tegelijkertijd uitvoeren. Het feit dat smartphones alle benodigde mechanische, elektronische en optische functies kunnen aansturen zonder externe energiebronnen, verhoogt de toegankelijkheid van diagnostiek in diverse klinische settings. Met deze systemen is het mogelijk om in één enkele test HIV- en syfilisantistoffen op te sporen, wat de efficiëntie en snelheid van diagnostiek verder verhoogt.

Naast het technisch functioneren van deze systemen is het essentieel dat de gebruiker inzicht heeft in de beperkingen en toepassingsmogelijkheden van elk platform. De gevoeligheid en specificiteit zijn afhankelijk van de context van het gebruik, de kwaliteit van de monsters en de mogelijke aanwezigheid van interfererende stoffen. Het begrijpen van de principes achter magnetische detectie, nanodeeltjeshybridisatie en optische analyse is van belang om diagnostische resultaten correct te interpreteren en mogelijke foutmarges te herkennen. Bovendien vraagt de integratie van deze technologieën in klinische routines om aandacht voor logistieke aspecten zoals monsterverzameling, training van personeel en gegevensbeheer.

De vooruitgang in nanodiagnostiek belooft niet alleen snellere en goedkopere detectie van infectieziekten, maar ook de mogelijkheid om diagnoses dichter bij de patiënt te brengen, waardoor vroegtijdige behandeling en betere gezondheidsuitkomsten mogelijk worden. Het succes van deze technologieën zal mede afhangen van de combinatie van wetenschappelijke innovatie, praktische toepasbaarheid en begrip van de onderliggende biomedische principes door de gebruikers.

Hoe verbeteren FET-gebaseerde sensoren hun prestaties bij detectie van gassen, ionen en biomoleculen?

De morfologie van materialen in FET-gebaseerde sensoren speelt een cruciale rol in hun gevoeligheid en selectiviteit. Door het toevoegen van een bufferlaag naast de actieve laag, zoals schematisch weergegeven in bepaalde studies, wordt het adsorptiegedrag van moleculen als ammoniak (NH₃) beïnvloed, wat leidt tot verbeterde prestaties in detectietoepassingen. De afstemming van morfologische eigenschappen maakt fijnregeling van interactiemechanismen tussen doelmoleculen en het actieve kanaalmateriaal mogelijk, hetgeen leidt tot hogere gevoeligheid en snellere respons.

Naast traditionele halfgeleidende metaaloxiden (SMO’s) en organische FET-structuren, hebben koolstofmaterialen zoals koolstofnanobuisjes (CNTs) en grafeen de laatste jaren veel aandacht gekregen in de context van gassensoren. Hoewel het directe ladingsoverdrachtmechanisme tussen gasmoleculen en CNT intuïtief lijkt en breed wordt geaccepteerd, wijzen andere hypothesen op veranderingen in de Schottky-barrière op het grensvlak tussen het CNT-materiaal en de metalen elektroden als bepalend voor het sensoreffect. Zo hebben studies laten zien dat alcoholmoleculen CNT’s kunnen doperen of zich kunnen adsorberen op het SiO₂-dielectricum, wat de elektrische eigenschappen van het kanaal beïnvloedt.

Grafeen en gereduceerd grafeenoxide zijn eveneens onderzocht als kanaalmaterialen in FET-sensoren. De adsorptie van gasmoleculen via zwakke hybridisatie of covalente binding leidt tot doping of dedoping, wat resulteert in een meetbare verandering van de geleidbaarheid. Grafeen, als p-type halfgeleider, reageert verschillend op elektronen-donerende of -onttrekkende gassen. Deze interacties verminderen of verhogen de geleidbaarheid respectievelijk. De gevoeligheid kan verder verhoogd worden door de morfologie van grafeen te wijzigen via nanopatronen of chemische functionalisatie. Composieten van grafeen met andere nanomaterialen, zoals SnO₂-nanodeeltjes, verbeteren de respons ten aanzien van specifieke gassen zoals waterstof (H₂). De effectieve energiematching tussen nanopartikels en grafeen aan het contactoppervlak wordt genoemd als oorzaak van deze prestatieverbetering.

In de context van draagbare en flexibele sensoren komt grafeen eveneens sterk naar voren, mede door zijn mechanische eigenschappen en geleidbaarheid. Andere tweedimensionale materialen zoals MoS₂ worden momenteel onderzocht vanwege hun geschikte bandstructuur en oppervlaktegevoeligheid.

Voor iondetectie biedt het Ion-Sensitive FET (ISFET) concept een krachtig platform. Door de conventionele gate-elektrode van een MOSFET te vervangen door een elektrolyt-oplossing in direct contact met een oxide-oppervlak zoals SiO₂ of Si₃N₄, ontstaat een systeem dat selectief kan reageren op ionische veranderingen. De werkingsprincipes zijn gebaseerd op ladingaccumulatie aan het grensvlak tussen oxide en oplossing, waarbij protonatie of deprotonatie van –OH-groepen aan het oppervlak leidt tot een verandering in het potentiaal. Deze oppervlaktelading genereert een elektrische dubbellaag met ladingscheiding, wat de kanaalgeleiding beïnvloedt. Materialen als Al₂O₃ en Ta₂O₃ vertonen gelijkaardig gedrag, waardoor een breed scala aan selectieve ISFET’s ontwikkeld kan worden.

Toepassingen reiken van pH-sensing tot detectie van zware metalen of zouten. Bijvoorbeeld, FET’s met polymeren gebaseerd op iso-indigo vertonen uitzonderlijke stabiliteit in mariene omgevingen en kunnen gevoelig worden afgestemd op specifieke ionen. CNT-netwerken, functioneel gemaakt met ion-selectieve membranen, worden onderzocht voor detectie van natrium- en kaliumionen, wat relevant is voor toepassingen in neurofysiologie en draagbare biosensoren.

Biosensoren gebaseerd op FET-architecturen – Bio-FETs – combineren bioherkenningselementen met elektrische signaaltransductie. Hun aantrekkingskracht ligt in labelvrije detectie en ingebouwde versterking. Materialen zoals silicium-nanodraden (SiNWs) en CNT’s worden vaak toegepast. Belangrijk in dit verband is het subthreshold-regime van de transistor, zoals aangetoond met elektrolytisch aangestuurde nanodraad-FET’s, dat optimaal blijkt voor detectie van biomoleculen.

Nanodeeltjes spelen hierbij een dubbele rol – enerzijds als drager v