An ITO@AgNWs enhanced electrochemical biosensor for rapid quantitative detection of sweet substances

De menselijke smaakzin is een complexe biologische taal die chemische signalen vertaalt naar sensaties zoals zoet, bitter of zuur. Eeuwenlang hebben wetenschappers geprobeerd deze taal te ontcijferen, met name de sensatie van zoetheid, die wordt beheerst door specifieke eiwitten in het lichaam die bekend staan als smaakreceptoren. Deze receptoren werken als gespecialiseerde sloten die alleen openen wanneer de juiste sleutel — een zoetmakend molecuul — erin past. Begrijpen hoe groot de hoeveelheid van deze zoete stoffen precies is in voedsel of medicijnen, is cruciaal. Te veel suiker kan leiden tot gezondheidsproblemen zoals diabetes, terwijl in de traditionele geneeskunde de zoetheid van een kruid vaak wijst op het vermogen om het lichaam te voeden of de spijsvertering te reguleren. Het nauwkeurig meten van deze zoete verbindingen heeft echter traditioneel dure, omvangrijke laboratoriummachines vereist die tijd kosten om te bedienen en deskundige experts nodig hebben om ze te gebruiken. Dit creëert een kloof tussen de behoefte aan snelle, precieze smaakanalyse en de middelen die beschikbaar zijn om dit te bereiken.

Onderzoekers aan de Beijing University of Chinese Medicine en de Ningxia University hebben een nieuwe, eenvoudigere manier ontwikkeld om zoete stoffen te meten, waarbij ze zich richten op een specifieke verbinding die in de kruidensoort Atractylodes macrocephala wordt gevonden, genaamd atractylenolide I. Deze verbinding staat bekend om zijn zoete smaak en biedt ontstekingsremmende voordelen, maar het kwantificeren ervan in complexe mengsels is moeilijk gebleken. Het team heeft een kleine sensor ontwikkeld die werkt als een zeer gevoelige elektronische tong. In plaats van zware machines te gebruiken, bouwden ze een apparaat bestaande uit een heldere, geleidende glazen slide die is gecoat met een netwerk van zilveren nanowires. Deze nanowires zijn ongelooflijk dunne slierten zilver, zo fijn dat er duizenden over de breedte van een menselijk haar zouden passen, waardoor een rooster ontstaat dat elektriciteit zeer efficiënt geleidt. Bovenop dit zilveren netwerk plaatsten ze het menselijke smaakreceptor-eiwit T1R2, dat van nature is ontworpen om zoete moleculen te herkennen.

Het detectieproces berust op een eenvoudige fysieke verandering. Wanneer de sensor in een vloeistof met de zoete verbinding wordt ondergedompeld, bindt de verbinding zich aan het receptor-eiwit dat op het zilveroppervlak zit. Deze bindingsgebeurtenis werkt als een kleine barrière, waardoor de stroom van elektriciteit over de sensor iets wordt vertraagd. De onderzoekers maten deze vertraging met behulp van een techniek genaamd differential pulse voltammetry, waarbij een reeks kleine elektrische pulsen wordt verzonden om te zien hoe gemakkelijk de stroom kan passeren. Hoe meer zoete stof aanwezig is in het monster, hoe meer receptoren bezet raken, hoe groter de blokkade, en hoe groter de daling van de elektrische stroom. Door deze daling te meten, kan het apparaat exact berekenen hoeveel zoete stof in het mengsel aanwezig is.

De resultaten van deze nieuwe methode zijn opmerkelijk precies. De sensor kan de zoete verbinding detecteren bij concentraties zo laag als 1,8×10$^{-13}$ mol/L, een concentratie die zo klein is dat het vergelijkbaar is met het vinden van een enkel korrel zand in een groot zwembad. Het kan een breed scala aan concentraties meten, van extreem verdunde tot veel sterkere oplossingen, en doet dit snel, met een resultaat in ongeveer twintig minuten. Het apparaat bleek zeer specifiek, wat betekent dat het sterk reageerde op de doelzoete verbinding, terwijl het andere stoffen zoals bittere verbindingen of verschillende soorten zuren die mogelijk in hetzelfde kruidenmengsel aanwezig zijn, negeerde. De onderzoekers bevestigden deze specificiteit door de reactie van de sensor te vergelijken met de werkelijke moleculaire pasvorm tussen het eiwit en de zoete verbinding, waarbij werd aangetoond dat de twee stevig in elkaar grijpen terwijl andere moleculen dat niet doen.

Naast het louter detecteren van de verbinding, toonde de sensor een grote stabiliteit en betrouwbaarheid. Wanneer de onderzoekers meerdere sensoren testten die tegelijkertijd waren gemaakt, produceerden ze bijna identieke resultaten, en zelfs sensoren die op verschillende dagen waren gemaakt, presteerden consistent. Het apparaat bleef minstens een week effectief wanneer het in een koelkast werd bewaard, wat suggereert dat het robuust genoeg is voor praktisch gebruik. Dit werk demonstreert dat door een natuurlijke biologische receptor te combineren met een eenvoudig, geleidend materiaal, het mogelijk is om een instrument te creëren dat zowel zeer gevoelig als gemakkelijk te gebruiken is. Deze aanpak biedt een nieuwe weg voor het analyseren van de kwaliteit van medicijnen en voedingsmiddelen, waardoor wordt gewaarborgd dat de juiste hoeveelheid zoete, gunstige verbindingen aanwezig is zonder dat daarvoor complexe laboratoriumopstellingen nodig zijn.