Graphen im Corona-Schnelltest: Neuer Ansatz gibt elektrisches Ergebnis aus

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Ist da nun eine zweite Linie oder nicht? Das haben sich schon viele Nutzer von Schwangerschafts- und Corona-Schnelltests gefragt. So rasch die Untersuchungskästchen funktionieren, so uneindeutig kann das Resultat manchmal sein. Bei diesen Tests zieht die Kapillarkraft die zu testende Körperflüssigkeit durch einen Papierstreifen, bis die gesuchten Biomoleküle von Reportermolekülen gebunden und per Farbreaktion angezeigt werden. Hinzu kommt, dass einige Schnelltests erst auf größere Mengen der zu testenden Biomoleküle ansprechen.

Deshalb arbeiten Wissenschaftler weltweit daran, die Schnelligkeit und niedrigen Kosten dieser papierbasierten mikrofluidischen Diagnostikttests mit der Genauigkeit und Empfindlichkeit von elektronischen Messsystemen zu verbinden, die eine eindeutige digitale Anzeige erlauben. Auf diesem Gebiet ist Mikrofluidikexperten um Andrew deMello und Nanooberflächen-Experten um Chih-Jen-Shih an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich ein großer Schritt gelungen.

Aus Cellulose wird Graphen

Sie haben einen günstigen elektrofluidischen Schnelltest entwickelt, indem sie die Cellulose in Papierteststreifen an definierten Stellen mit fein dosierten Laserpulsen in einem Lasergravierer in Graphen umwandelten. Diese leitfähig gewordenen Elektrodenbereiche blieben dabei weiterhin benetzbar. Das Binden des gesuchten Biomoleküls löst – statt einer Farbreaktion – ein elektronisches Signal aus. Das funktioniert auch bei jenen geringen Konzentrationen, die bei den bisherigen Tests für die unklaren Ergebnisse sorgen.

Die Methode werde nicht nur verlässlichere Diagnostiktests ermöglichen, die über die Proteinnachweise von Schwangerschafts- und Krankheitsschnelltests hinaus auch viele andere Biomoleküle anzeigen, betont deMello. Möglich sei auch der Nachweis von DNA und RNA, um Krankheitserreger zu identifizieren, oder die Konzentration von niedermolekülaren Wirkstoffen (small molecules) zu messen. Zudem sei die Technologieplattform aber auch für die Untersuchung von Umweltproben wie Wasser-, Luft- und Bodenproben gut geeignet.

Bei bisherigen Versuchen, Schnelltests mit elektronischer Messgenauigkeit zu entwickeln, wurden die Elektroden mit verschiedensten Technologien auf den Papierteststreifen platziert. Weil solche Elektroden aber wasserabweisend (hydrophob) waren, konnte an diesen Stellen die Testflüssigkeit nicht weiter transportiert werden. Deshalb wollten die ETH-Forscher ihre Elektroden in das Papier integrieren, indem sie es teilweise leitfähig machten.

Einsatz eines Lasers

"Cellulose ist ein schwieriges Ausgangsmaterial für Elektroden, weil es durch seinen hohen Sauerstoffanteil sehr leicht entflammbar ist", erklärt deMellos Mitarbeiter und Hauptentwickler Léonard Bezinge. Cellulose besteht aus verketteten Glukosemolekülen. Diese Zucker lassen sich durch eine hochenergetische Laser-Einwirkung in ihre Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff zerlegen.

Dass die Cellulose dabei nicht zu Kohle verbrennt, die nämlich nicht leitfähig wäre, oder komplett zerstört wird, verhinderte Bezinge mit zwei Maßnahmen. Er schützte das Papier mit einem Flammschutzmittel und reduzierte zudem die Intensität des Lasers, indem er ihn nicht kontinuierlich, sondern in Pulsen einwirken ließ. Durch die reduzierte Energieeinwirkung organisierten sich die Kohlenstoffatome zu einer Graphen-ähnlichen Struktur um.

Nun wäre reines Graphen aber ebenfalls wasserabweisend. Deshalb passte Bezinge die Lasereinwirkung so an, dass das Papier nur teilweise in Graphen umgewandelt wurde und einige der funktionellen Sauerstoffgruppen auf dem Kohlenstoffgerüst erhalten blieben. Diese Gruppen wechselwirken mit Wasser, sodass die Elektroden benetzbar bleiben und die Weiterleitung der Flüssigkeit nicht unterbrechen.

Die neuen elektrofluidischen Tests sind sehr günstig herzustellen. Auf einem einzigen DIN-A4-Blatt konnten die Forscher bereits 176 Sensoren unterbringen, was einen Test-Stückpreis von gerade mal zwei Dollar-Cent bedeutet.

Auch die Konzentration der Erreger ermitteln

Die Sauerstoffgruppen haben zudem noch einen zweiten Vorteil. An ihnen lassen sich sogenannte Reportermoleküle für die nachzuweisenden Biomoleküle verankern. Im Fall von Sars-CoV-2-Antikörpermessungen wären das Virus-Antigene, und für den Nachweis des viralen Spikeproteins Antikörper. Binden die Biomoleküle an die Reportermoleküle auf den Elektroden, entsteht eine messbare Spannung. Diese ist proportional zur gebundenen Biomolekülmenge.

"Unsere Tests glänzen also vor allem dann, wenn man nicht nur ein hochsensitives Ergebnis braucht, sondern auch ein quantitativ hochgenaues Resultat", sagt Bezinge. "Bei Covid-19-Antikörpertests wollen Sie nicht nur wissen, ob Antikörper vorhanden sind, sondern ihre genaue Konzentration ermitteln", sagte der Chemieingenieur weiter.

So haben die Forscher unter anderem einen Covid-19-Schnelltest entwickelt, der das Ergebnis über einen Dongle an ein Smartphone schickt. In einem weiteren Experiment wiesen das Erbgut des krebserregenden Humanpapillomvirus HPV16 nach. Die ersten Ergebnisse sind bisher als Preprint zugänglich, das den Gutachterprozess noch durchlaufen muss. Eine weitere Fachpublikation zum Covid-19-Antikörpertest soll folgen. Bereits letztes Jahr haben die ETH-Forscher ein Patent auf ihre Methode angemeldet.

(vsz)