Optischer Biosensor für SARS-Cov-2 Sensor misst Virenkonzentration in der Luft

Ein neuer optischer Sensor könnte künftig die Konzentrationen des Virus an stark frequentierten Orten messen.
Ein neuer optischer Sensor könnte künftig die Konzentrationen des Virus an stark frequentierten Orten wie etwa Bahnhöfen messen - in Echtzeit.

Schweizer Forscher haben einen neuartigen Sensor zum Nachweis des SARS-CoV-2-Virus entwickelt. Er könnte künftig die Virenkonzentration in der Umgebung messen, beispielsweise an Orten, an denen sich viele Menschen aufhalten oder in Lüftungssystemen von Krankenhäusern.

Gewöhnlich forscht Jing Wang an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA und an der ETH Zürich mit seinem Team daran, Luftschadstoffe wie Aerosole und künstlich hergestellte Nanopartikel zu messen, zu analysieren und zu vermindern. Doch die aktuelle Herausforderung, vor denen zurzeit die ganze Welt steht, ändert auch die Ziele und Strategien in den Forschungslabors. Der neue Fokus: ein Sensor, der einen spezifischen Virus wie etwa SARS-CoV-2 – das neue Coronavirus – schnell und zuverlässig identifizieren kann. 

Zum Hintergrund: Die meisten Labors verwenden für ihre Covid-19-Tests bislang eine molekulare Methode, die sich "Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction" nennt, kurz RT-PCR, um Viren bei Infektionen der Atemorgane aufzuspüren. Diese ist etabliert und kann bereits winzige Mengen der Viren aufspüren – doch gleichzeitig sind die Tests oft zeitraubend.

Ein optischer Sensor für RNA-Proben

Jing Wang hat mit seinem Team eine alternative Testmethode entwickelt, in der Form eines optischen Biosensors. Der Sensor verbindet dabei zwei verschiedene Effekte, um das Virus sicher und zuverlässig aufzuspüren: einen optischen und eine thermischen.

Der Sensor basiert auf winzigen Strukturen aus Gold, sogenannte Gold-Nanoinseln, auf einem Glassubstrat. Auf den Nanoinseln werden künstlich hergestellte DNA-Sequenzen aufgebracht, die zu bestimmten RNA-Sequenzen des SARS-CoV-2-Virus passen. Das neue Coronavirus ist ein sogenanntes RNA-Virus: Sein Genom besteht, nicht wie etwa 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 diesen eindeutig identifizieren können.

Die Technologie, die die Forscher zur Virus-Detektion einsetzen, nennt sich LSPR ("localized surface plasmon resonance"). 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 sich in der Probe die gesuchten RNA-Stränge befinden.