Forschung -

Optischer Biosensor misst Sars-CoV-2-­Konzentration

Ein Sensor zum Nachweis des neuen Coronavirus könnte künftig eingesetzt werden, um dessen Konzentration in der Umwelt zu bestimmen – etwa dort, wo sich viele Menschen aufhalten oder in den Lüftungssystemen von Krankenhäusern.

Jing Wang forscht an der schweizerischen Empa und an der ETH Zürich mit seinem Team an Sensoren, die Bakterien und Viren in der Luft feststellen können. Eine aktuelle Entwicklung soll künftig in der Lage sein, ein spezifisches Virus zuverlässig zu identifizieren – das neuartige Coronavirus Sars-CoV-2. Der optisch-thermische Biosensor könnte dazu dienen, die Virenkonzentration in der Luft in Echtzeit zu messen, etwa an stark frequentierten Orten wie Bahnhöfen oder in Krankenhäusern.

Der Sensor nutzt Gold-Nanoinseln auf einem Glassubstrat. Auf diesen werden künstlich hergestellte DNA-Sequenzen aufgebracht, die zu bestimmten RNA-Sequenzen des Sars-CoV-2-Virus passen. Dieses Virus ist ein sogenanntes RNA-Virus: Sein Genom besteht nicht – wie bei Menschen, Tieren und Pflanzen – aus DNA-Doppelsträngen, sondern aus einem einzelnen RNA-Strang. Die künstlichen DNA-Rezeptoren auf dem Sensor sind also die Komplementärsequenzen zu den eindeutigen RNA-Genomsequenzen des Virus, die dieses eindeutig identifizieren können.

Die Forscher verwenden zur Virusdetektion die Sogenannte Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR). Dabei handelt es sich um ein optisches Phänomen, das bei metallischen Nanostrukturen auftritt: Diese modulieren im angeregten Zustand das einfallende Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich und erzeugen ein sogenanntes plasmonisches Nahfeld um die Nanostruktur. Wenn an der Oberfläche Moleküle andocken, dann ändert sich genau an dieser Stelle der optische Brechungsindex in diesem plasmonischen Nahfeld. Mit einem optischen Sensor, der sich auf der Hinterseite des Sensors befindet, lässt sich dies messen und somit feststellen, ob die Probe die gesuchten RNA-Stränge enthält. Wichtig ist dabei, dass nur diejenigen RNA-Stränge vom DNA-Rezeptor auf dem Sensor eingefangen werden, die exakt darauf passen. Hier kommt ein zweiter Effekt ins Spiel: der plasmonische fotothermale Effekt (PPT). Wird dieselbe Nanostruktur auf dem Sensor mit einem Laser einer bestimmten Wellenlänge angeregt, so produziert sie Wärme.

Wie hilft das der Zuverlässigkeit? Wie bereits erwähnt, besteht das Erbgut des Virus nur aus einem einzelnen RNA-Strang. Findet dieser Strang sein komplementäres Gegenstück, so verbinden sich die beiden zu einem Doppelstrang – ein Vorgang, der sich Hybridisierung nennt. Das Gegenteil – also die Aufspaltung einesDoppelstrangs in Einzelstränge – nennt sich Schmelzung oder Denaturierung. Dies geschieht bei einer bestimmten Temperatur, der Schmelztemperatur. Wenn die Umgebungstemperatur nun aber viel tiefer ist als die Schmelztemperatur, können sich auch Stränge verbinden, die nicht zu 100 % komplementär zueinander sind. Das kann zu falschen Testresultaten führen. Ist die Umgebungstemperatur hingegen nur leicht tiefer als die Schmelztemperatur, können sich nur noch komplementäre Stränge zusammenfügen. Und genau dies ist das Resultat der erhöhten Umgebungstemperatur, die der PPT-Effekt verursacht.

Um aufzuzeigen, wie zuverlässig der neue Sensor das aktuellen Coronavirus feststellt, testeten ihn die Forscher mit einem sehr nahen Verwandten: dem Sars-CoV, das die Sars-Pandemie von 2003 auslöste. Die beiden Viren – Sars-CoV und Sars-CoV2 – unterscheiden sich in ihrer RNA nur geringfügig, eine eindeutige Unterscheidung ist also äußerst schwierig. Doch das Experiment gelang: „Unsere Tests zeigten, dass der Sensor klar zwischen den sehr ähnlichen RNA-Sequenzen der beiden Viren unterscheiden kann“, erklärt Jing Wang.

Um die Coronavirenkonzentration in der Luft tatsächlich zu messen, sind noch einige Schritte nötig – etwa ein System, das die Luft ansaugt, die Aerosole darin konzentriert und die RNA aus den Viren isoliert.

G. Qiu et al.: Dual-Functional Plasmonic Photothermal Biosensors for Highly Accurate Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Detection; ACS Nano (2020) 14, 5, 5268-5277

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