Änderung der elektrischen Leitfähigkeit macht Virusmaterial sichtbar

Wenn die Corona-Pandemie eines lehrt, dann wie wichtig diagnos­tische Hilfs­mittel sind, die schnell und zuverlässig Erreger und Antikörper nach­weisen können. Der diagnos­tische Werkzeug­kasten muss dabei durch neue innovative Methoden erweitert werden, um sowohl SARS-CoV-2 als auch zukünftigen Heraus­forderungen dieser Art begegnen zu können. Forscher der Uni Jena, das Institut für Mikro­elektronik- und Mechatronik-Systeme in Ilmenau und das Forschungs­zentrum für Medizin­technik und Bio­techno­logie in Bad Langen­salza entwickeln deshalb gemeinsam eine neue Technologie­plattform für Schnell­tests. Am 5. März startete das vom Bundes­wirtschafts­ministerium geförderte Projekt „ViroGraph – Multiplex-Detektions­system zum Nachweis von Viren auf Basis von Graphen-Feldeffekt­transistoren“, das für zweieinhalb Jahre angesetzt ist, mit einem virtuellen Auftakt­treffen, an dem auch die Mitglieder des begleitenden Ausschusses aus sechs Unter­nehmen und Institutionen teilnahmen.

Ziel der neuen elektronischen Plattform ist es, die bereits an der Uni Jena erforschten Graphen-Sensoren für neue Point-of-Care-Geräte zu erschließen. Solche kleinen und mobilen Geräte sollen künftig ähnlich einfach wie Covid-19-Schnelltests vor Ort einsetzbar sein und Viren, Viren­proteine oder Antikörper hoch­sensitiv – vergleichbar mit PCR-Tests – nachweisen. Mit dem neuen Projekt wollen die Partner den Grund­stein für viele weitere präzisere, sensitivere und spezifischere Anwendungen im Bereich der Vor-Ort-Diagnostik über SARS-CoV-2 hinaus legen.

Prinzipiell sind auf den Test­streifen der aktuell einge­setzten Schnell­tests bestimmte Proteine als Fänger­moleküle aufge­bracht, die – falls in der unter­suchten Probe vorhanden – mit Virus­bestand­teilen oder mit Anti­körpern reagieren. Dabei entsteht ein Farb­streifen, der das Ergebnis anzeigt. In der neuen Plattform des ViroGraph-Projekts soll ein neuartiger elektro­nischer Sensor aus Graphen die Aufgabe des Test­streifens über­nehmen – über­zogen von einer nur einen Nanometer dicken Kohlen­stoff­membran, die die Fänger­moleküle auf der Sensor­ober­fläche fixiert. Lagern sich die Analyten aus einer Probe – also etwa Anti­körper oder Virus­bestand­teile – auf der Sensor­ober­fläche an, dann verändert sich die elektrische Leit­fähig­keit des Sensors. Dieser Parameter kann elektronisch ausgelesen werden und liefert das Test­ergebnis.

„Feldeffekttransistoren kommen bereits bei der Messung von pH-Werten zum Einsatz, für Anwendungen im Bereich der immuno­lo­gischen Diagnostik aller­dings waren sie bisher nicht sensitiv und spezifisch genug“, erklärt Andrey Turchanin von der Uni Jena. „Durch die Kombination von Hetero­strukturen aus Graphen, das eine entsprechende Leit­fähig­keit bereithält, und der molekularen Kohlen­stoff­nano­membran, die die Sensor­ober­fläche biochemisch funktio­na­li­siert, konnte diese Schwach­stelle aller­dings behoben werden. Denn das aus nur einer Atom­schicht bestehende 2D-Material Graphen zeichnet sich durch eine besondere elektrische Leit­fähig­keit aus – sensible Änderungen der Leit­fähig­keit während der Ankopplung von Analyten, also den gesuchten Molekülen, lassen sich schnell und einfach messen.“

Um diese kleinsten elektrischen Ströme im Bereich einiger Nanoampere überhaupt messen zu können, entwickeln die Projekt­koordi­na­toren des IMMS geeignete miniatu­ri­sierte Messtechnik. „Das ist wichtig, um die für unsere Anwendung notwendige Leistungs­fähigkeit sehr großer Messgeräte, die solche Parameter normaler­weise ermitteln können, in ein handliches Point-of-Care-Gerät zu integrieren.“ sagt Michael Meister vom IMMS. „Eine besondere Heraus­forderung dabei ist außerdem, mehrere Graphen-Sensoren gleich­zeitig zu messen, um eine Multi­parameter­analytik realisieren zu können.“

Denn hierin soll die besondere Stärke der elektro­nischen Methode bestehen. „Wir wollen den Grundstein für ein Multiplex-Detektions­system legen, mit dem wir mehrere Analyten gleich­zeitig detek­tieren können“, erklärt Dominik Gary vom FZMB, dessen Mitarbeiter immuno­logische und molekular­bio­logische Nach­weis­systeme für den neuen Sensor entwickeln. „Somit wäre das ViroGraph-System möglicher­weise sogar zur Gen­typi­sierung geeignet und könnte verschiedene Mutationen von Viren im Schnell­verfahren erkennen.“

FSU / RK

Weitere Infos

• Turchanin Research Group, Institut für physikalische Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena
• Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gGmbH, Ilmenau
• Forschungszentrum für Medizintechnik und Biotechnologie GmbH, Bad Langensalza