Schnelltest für Corona-Viren Mobiler SARS-CoV-2-Nachweis mit Graphen-Sensoren

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Für den mobilen Nachweis von Viren, Virenproteinen oder Antikörper arbeiten Forscher an einer Technologieplattform für Schnelltests. Damit soll nicht nur SARS-CoV-2 erkannt werden. Gemessen wird eine veränderte elektrische Leitfähigkeit.

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Mobiler Nachweis: Voruntersuchungen am IMMS für die Entwicklung einer miniaturisierten Messtechnik für kleinste Ströme, die für die in ViroGraph angestrebte neuartige Technologieplattform zum Nachweis von SARS-CoV-2 notwendig ist.
Mobiler Nachweis: Voruntersuchungen am IMMS für die Entwicklung einer miniaturisierten Messtechnik für kleinste Ströme, die für die in ViroGraph angestrebte neuartige Technologieplattform zum Nachweis von SARS-CoV-2 notwendig ist.
(Bild: IMMS)

Im Kampf gegen die Corona-Pandemie setzen die Regierungen neben einer Impfung auf Testmöglichkeiten. Dabei sind sich die Wissenschaftler einig, dass der diagnostische Werkzeugkasten stetig erweitert werden muss. Nicht nur um SARS-Cov-2 zu begegnen. Chemiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena, das IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS) und fzmb, Forschungszentrum für Medizintechnik und Biotechnologie 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.

Graphen-Sensoren für mobilen Nachweis

Ziel der elektronischen Plattform ist es, die bereits an der Universität Jena erforschten Graphen-Sensoren für neue sogenannte 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-Projektes soll ein neuartiger elektronischer Sensor aus Graphen die Aufgabe des Teststreifens übernehmen – überzogen von einer nur einen Nanometer dicken Kohlenstoffmembran, welche 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.

Sensible Änderungen der Leitfähigkeit

Sensor der FSU Jena mit 15 Graphen-FETs: Das IMMS entwickelt die miniaturisierte Messtechnik für kleinste Ströme, die für die in ViroGraph angestrebte neuartige Technologieplattform zum Nachweis von SARS-CoV-2 notwendig ist.
Sensor der FSU Jena mit 15 Graphen-FETs: Das IMMS entwickelt die miniaturisierte Messtechnik für kleinste Ströme, die für die in ViroGraph angestrebte neuartige Technologieplattform zum Nachweis von SARS-CoV-2 notwendig ist.
(Bild: IMMS)

„Feldeffekttransistoren kommen bereits beispielsweise bei der Messung von pH-Werten zum Einsatz, für Anwendungen in der immunologischen Diagnostik allerdings waren sie bisher nicht sensitiv und spezifisch genug“, erklärt Prof. Dr. Andrey Turchanin von der Universität Jena. „Durch die Kombination von Heterostrukturen aus Graphen, das eine entsprechende Leitfähigkeit bereithält, und der molekularen Kohlenstoffnanomembran, welche die Sensoroberfläche biochemisch funktionalisiert, konnte die 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.“

Verschiedene Viren-Mutationen erkennen

Graphen-Sensoren: Ein Sensor mit 15 Graphen-FETs auf einer Leiterplatte
Graphen-Sensoren: Ein Sensor mit 15 Graphen-FETs auf einer Leiterplatte
(Bild: David Kaiser, FSU Jena)

Um diese kleinsten elektrischen Ströme von wenigen 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 Multiparameter-Analytik realisieren zu können.“

Denn darin 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 von fzmb, deren Mitarbeiter immunologische und molekularbiologische Nachweissysteme für den neuen Sensor entwickeln. „Somit wäre das ViroGraph-System möglicherweise sogar zur Gentypisierung geeignet und könnte deshalb verschiedene Mutationen von Viren im Schnellverfahren erkennen.“

Projektbegleitender Ausschuss:

  • CANDOR Bioscience
  • CNM Technologies
  • GeSiM mbH
  • Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V.
  • sifin diagnostics
  • TissUse

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