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Gewissheit in nur 15 Minuten – Graphenoxid-basierter Schnelltest zur Infektionserkennung

14. September 2020

Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IZM entwickeln mit Projektpartnern eine handliche Sensorplattform auf Graphenoxid-Basis. Diese ermöglicht es, in wenigen Minuten akute Infektionen wie eine Sepsis oder auch Antikörper gegen das Coronavirus zu detektieren.

© Fraunhofer IZM / Volker Mai
Fraunhofer-Forschende entwickeln Biosensoren, die auf Graphenoxid basieren und es ermöglichen, bakterielle und virale Infektionen in nur 15 Minuten zu erkennen.
© Fraunhofer IZM
Durch die Flockenstruktur des Graphenoxids entsteht eine größere Messfläche und damit eine bessere Empfindlichkeit.

Besonders die COVID 19-Pandemie zeigt, wie wichtig es ist, Infektionen schnell und genau zu erkennen, sodass weitere Ansteckungen verhindert werden können. Für die Bestimmung von viralen oder bakteriellen Infektionen werden Diagnosen aktuell auf Basis von Symptomen aufgestellt. Diese sind allerdings fehleranfällig. Bluttests geben zwar Gewissheit, werden jedoch erst auf Verordnung des Hausarztes in Laboren durchgeführt. Bis die Ergebnisse der Analyse eintreffen, werden möglicherweise nicht notwendige Antibiotika verordnet oder Ansteckungsketten nicht schnell genug aufgedeckt.

Ein Tropfen Blut genügt für die Diagnose

Seit April 2018 arbeiten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM im Projekt Graph-POC an einer graphenoxidbasierten Sensorplattform, die genau diese Herausforderungen bei der Diagnose von Infektionen lösen soll. Nur ein Tropfen Blut bzw. Speichel ist notwendig, um eine exakte Analyse durchzuführen. Der Tropfen wird auf die Sensoroberfläche gegeben und binnen weniger Minuten erscheint ein über elektrische Signale vermitteltes Ergebnis – beim Hausarzt vor Ort. Langwierige Laboruntersuchungen des Blutes werden also durch einen Schnelltest ersetzt, der innerhalb von nur 15 Minuten Gewissheit bietet.

Bei einer schon durchgestandenen Infektion kann der Test auf eine Antikörpererkennung ausgelegt werden. Um vorangegangene Infektionen mit dem COVID 19-Virus erkennen zu können und Infektionswege nachzuweisen, liegt der Forschungsfokus derzeit auf dieser Anwendung. Während einer Infektion bildet der menschliche Körper bestimmte Moleküle oder Proteine aus, so genannte Biomarker. Um diese zu erkennen, werden auf der Sensoroberfläche der graphenoxidbasierten Plattform Fängermoleküle platziert. Ob eine Infektion vorhanden ist, wird dann anhand von Differenzmessungen zur Konzentration der Biomarker festgestellt.

3D-Struktur vergrößert Messfläche

Die Besonderheit der Sensorplattform ist das verwendete Material: Graphenoxid ist ein elektrisch leitfähiges und biokompatibles Material und lässt eine besonders zuverlässige Detektion zu. In der Mikroelektronik wurde es bisher nur in seiner ursprünglichen 2D-Form verwendet. Die Forschenden des Fraunhofer IZM bringen es jedoch nun in einer 3D-Struktur in Form von Flocken auf. Diese dreidimensionale Form vergrößert die Messfläche und auch die Genauigkeit der Messungen. Durch die 3D-Anordnung der Graphenoxid-Flocken und die daraus resultierende Empfindlichkeit eröffnen sich auch weitere Anwendungen, zum Beispiel bei der Detektion schädlicher Gase wie Kohlenstoffmonoxid oder Aceton. Um den Herstellungsprozess für die Massenproduktion zu skalieren, soll die Beschichtung mit Graphenoxid auf Wafer-Ebene passieren, sodass hunderte Chips auf einmal bearbeitet werden können.

Antikörperdetektion nach Coronavirus- Infektion in etwa einem Jahr

Bis die Schnelltests für die Anwendung bereit sind, müssen die graphenoxidbasierten Sensoren in einen Kunststoff-Träger eingebettet und die Zuverlässigkeit des Systems getestet werden. Das Projekt läuft regulär bis Frühling 2021, die Verifizierung des Sensors mit Bezug auf das Coronavirus wird jedoch voraussichtlich noch etwa ein Jahr dauern. Beteiligte Projektpartner sind die Charité, Aptarion Biotech AG, die Technische Universität Berlin, MicroDiscovery und alpha-board GmbH. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. 

Mehr dazu auch in unserem Webspecial Mikroelektronik vs. Corona.