Highly Sensitive Graphene-MoS₂ Hybrid Surface Plasmon Resonance Biosensor for Malaria Detection via Refractive Index Analysis of Red Blood Cells

Stel je voor dat je probeert een fluistering te horen in een rumoerige kamer. Meestal overstemt het achtergrondgepraat het minuscule geluid, waardoor het onmogelijk is om te bepalen of iemand aan het praten is of dat er gewoon wind waait. In de wereld van de wetenschap is deze "ruis" vaak de moeilijkheid om extreem kleine veranderingen in hoe licht van een oppervlak weerkaatst, te detecteren. Wetenschappers gebruiken een slimme truc genaamd Surface Plasmon Resonance (SPR) om dit op te lossen. Denk aan SPR als een super-afgestemde radioantenne gemaakt van metaal. Wanneer licht onder precies de juiste hoek op deze antenne valt, laat het de elektronen op het metaaloppervlak dansen in een gesynchroniseerde golf. Als je iets zelfs maar een klein beetje anders in de buurt van de antenne plaatst — zoals een druppel water of een minuscuul virus — verandert de ritmiek van de dans. Door te kijken naar hoe het ritme verschuift, kunnen wetenschappers de aanwezigheid van dat "iets" detecteren zonder het ooit aan te raken. Dit is een grote zaak voor de geneeskunde, omdat het artsen zou kunnen laten toe om ziekten zoals malaria vroegtijdig op te sporen, simpelweg door te kijken naar hoe rode bloedcellen met licht interageren, zonder dat ze met chemicaliën gekleurd hoeven te worden of moeten wachten op lange laboratoriumtests.

Stel je nu voor dat een team onderzoekers aan de Shiraz University of Technology besloot deze "radioantenne" een upgrade te geven om hem nog gevoeliger te maken. Ze wisten dat hoewel standaard metalen antennes goed zijn, ze beter zouden kunnen zijn als ze verpakt zouden zijn in speciale, ultradunne materialen. Ze experimenteerden met een sandwich van zilver, een enkele laag grafeen (wat een laag koolstofatomen is die zo dun is als een velletje papier) en een familie van materialen genaamd Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs). Deze TMDC's zijn als verschillende "smaken" van een speciale kruidmix die de manier waarop het licht met de sensor interageert, kunnen veranderen. De onderzoekers wilden zien welke "smaak" en welke dikte van zilver de scherpste, meest gevoelige detector zou creëren voor malaria-geïnfecteerde rode bloedcellen.

In deze studie bouwden de auteurs geen fysiek apparaat in een laboratorium; in plaats daarvan gebruikten ze krachtige computersimulaties om hun sensor te ontwerpen en te testen. Ze modelleerden een structuur met een glazen prisma, een zilverfilm en lagen grafeen gemengd met een van de vier verschillende TMDC-materialen: MoS₂, MoSe₂, WS₂ of WSe₂. Ze wierpen een nabij-infrarode lichtstraal (golflengten rond 1000 tot 1100 nanometer) op deze opstelling en berekenden exact hoeveel licht er terugkaatste. Hun doel was om de perfecte combinatie te vinden die de grootste "dansverschuiving" zou creëren wanneer de sensor het verschil detecteert tussen een gezonde rode bloedcel en een cel die geïnfecteerd is met malaria.

De simulaties onthulden dat de keuze van het materiaal en de dikte van de zilverlaag enorm veel uitmaakte. Het ging niet alleen om het kiezen van het "beste" materiaal; het ging om het vinden van de juiste match voor de specifieke kleur van het gebruikte licht. Bijvoorbeeld, bij een golflengte van 1000 nm vertoonde een structuur die gebruikmaakte van WS₂ met een 40-nanometer dikke zilverlaag de sterkste absorptie van licht. Echter, wanneer ze overschakelden naar 1100 nm, begon het MoSe₂-materiaal te schitteren door de beste prestaties te leveren. De onderzoekers ontdekten ook dat het toevoegen van meer lagen grafeen niet altijd hielp; sterker nog, te veel lagen maakten de sensor soms minder gevoelig omdat ze het licht te ver weg van het oppervlak waar de bloedcellen zich zouden bevinden, vastlegden.

Na het testen van vele combinaties identificeerde het team een "kampioensconfiguratie". Ze vonden dat een sensor die gebruikmaakt van een 70-nanometer dik zilverfilm, een enkele laag grafeen en een laag MoS₂ (of MoSe₂) werkend op een golflengte van 1100 nm, de beste balans bood. Deze opstelling was ongelooflijk gevoelig. Wanneer ze een simulatie uitvoerden waarbij de sensor een zeer kleine verandering in de brekingsindex detecteerde (een maatstaf voor hoe licht buigt) die vergelijkbaar is met wat er gebeurt wanneer een rode bloedcel geïnfecteerd raakt, verschoof de "resonantiehoek" van de sensor met een aanzienlijke hoeveelheid. Specifiek, voor een zeer kleine verandering in de eigenschappen van de bloedcel (0,005 RIU), vertoonde de sensor een gevoeligheid van 198,08 graden per eenheid brekingsindex. Als de verandering iets groter was (0,007 RIU), sprong de gevoeligheid naar 201,52 graden per eenheid.

Het artikel simuleerde ook hoe deze sensor het onderscheid kon maken tussen de verschillende stadia van de malaria-infectie. Gezonde rode bloedcellen hebben een specifieke brekingsindex, maar naarmate de malariaparasiet in de cel groeit, veranderen de eigenschappen van de cel. De simulaties lieten zien dat de sensor duidelijk het verschil kon zien tussen een gezonde cel en cellen in de "ring", "trofozoiet" en "schizont" stadia van infectie, waarbij elk een duidelijk signaal produceert. Zo was het signaal voor het schizont-stadium bijvoorbeeld merkbaar anders dan dat van een gezonde cel, wat suggereert dat de sensor potentieel niet alleen de aanwezigheid van de ziekte kan identificeren, maar ook hoe gevorderd deze is.

De auteurs concluderen dat hoewel hun resultaten momenteel gebaseerd zijn op computermodellen en niet op fysieke experimenten, het ontwerp wijst op een zeer veelbelovend pad voorwaarts. Ze betogen dat het mogelijk is, door gebruik te maken van deze hybride 2D-materialen, een biosensor te creëren die veel scherper en nauwkeuriger is dan huidige ontwerpen. Dit zou uiteindelijk kunnen leiden tot een apparaat dat malaria snel en zonder labels detecteert, simpelweg door het licht te analyseren dat reflecteert vanaf een druppel bloed. De studie benadrukt dat het succes ervan ligt in het zorgvuldig afstemmen van de lagen metaal en 2D-materialen om te passen bij de specifieke lichtgolflengte, wat bewijst dat in de wereld van nanoschaal-detectie de duivel inderdaad in de details zit.