唾液と呼気の複合分析のためのシステムオンボード統合型マルチ分析PoCバイオセンサー

A System-on-Board Integrated Multi-analyte PoC Biosensor for Combined Analysis of Saliva and Exhaled Breath.

抄録

口腔衛生モニタリングのPoint of Care（PoC）システムの必要性は、ますます高まっています。これは、現在進行中のCOVID-19の大流行によって効果的に強調されており、PoCでの迅速な検査の欠如によって、中央の研究所での検査に持続不可能な負担がかかっています。しかし、口腔内バイオセンシングによる生化学的モニタリングの進歩は見られないまま、病原性核酸や抗体の検出は急務となっている。私たちは最近、唾液中のコルチゾールを有機電解質ゲートFET（OEGFET）で、呼気凝縮物中の8-イソプロスタンを分子インプリント電気インピーダンス分光法（MIP EIS）バイオセンサーで検出する2つの新しいバイオセンサー技術を報告しました。本研究では、これまでベンチトップで実証されてきた2つのバイオセンサーを、小型化した半密閉型ソフト流体筐体と低消費電力（300 mW未満）カスタマイズプリント回路基板に統合した第一段階の結果を報告する。我々の発見は、小型化された基板ベースの構成とラボベースのテストセットアップの同等の検出閾値と、これらの小さなフットプリントバイオセンサの特性評価、校正、および操作の能力を確立したことである。8-イソプロスタンEBC MIP EISバイオセンサのテストでは、システムオンボードの有効周波数範囲は100-100kHzで、ラボのベンチインピーダンスアナライザに匹敵することが示された。内部インピーダンスが210%増加したにもかかわらず、PCBで収集したインピーダンスグラフには期待通りのデータ特徴が見られました。OEGFETアプタセンサを使用したシステムオンボードの実験では、273μMから2.73pMの範囲で、混じりけのない上清とコルチゾールの連続希釈液を使用して、予測可能な動作と同等のセンサ検出範囲および分解能を示しました。この携帯型多項目経口バイオセンサは、将来のパッケージングと臨床検証のための有望なプロトタイプである。

The need for oral health monitoring Point of Care (PoC) systems is ever growing. This is effectively highlighted by the ongoing COVID-19 pandemic where the lack of rapid PoC testing has placed an unsustainable burden on centralized laboratory testing. Urgent development has furthered pathogenic nucleic acid and antibody detection in oral samples throat swabs, but without corresponding advancements in biochemical monitoring through oral biosensing. We have recently reported two novel biosensor technologies for detection of high impact hormones: cortisol in saliva by organic electrolyte gated FETs (OEGFETs), and 8-isoprostane in exhaled breath condensate (EBC) using molecularly imprinted electroimpedance spectroscopy biosensors (MIP EIS). In this work, we report a first stage integration of the two biosensors - previously bench-top proven - with a miniaturized semi-hermetically sealed soft-fluidic enclosure, onto a low-power (<300 mW) customized printed circuit board. Our findings established comparable detection thresholds for the miniaturized board-based configuration and a lab-based test setup, and their ability to characterize, calibrate, and operate these small footprint biosensors. Testing with the 8-isoprostane EBC MIP EIS biosensors showed the system-on-board had an effective frequency range of 100-100kHz, comparable to lab bench impedance analyzers. Despite internal impedance increases of 210%, the expected data features are present in the impedance graphs collected with the PCB. The system-on-board experiments using OEGFET aptasensor showed a predictable behavior and comparable sensor detection range and resolution using unadulterated supernatant and serial dilutions of cortisol over a range of 273 μM to 2.73pM. The portable, multi-analyte oral biosensor is a promising prototype for future packaging and clinical validation.