Forskere udvikler en grafenoxid-baseret hurtigtest til at opdage infektioner

Forskere ved Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration IZM er gået sammen med partnere inden for industri og sundhedspleje for at udvikle en praktisk grafenoxid-baseret sensorplatform til at opdage akutte infektioner såsom sepsis eller antistofferne mod coronavirus inden for få minutter.

Den nuværende situation med COVID-19-pandemien understreger vigtigheden af ​​at opdage infektioner hurtigt og præcist for at forhindre yderligere spredning. I dag, symptomer giver de spor, der hjælper med at diagnosticere virale eller bakterielle infektioner. Imidlertid, mange infektioner har lignende symptomer, så disse tegn kan let blive fejllæst og sygdommen fejldiagnosticeret. Blodprøver giver sikkerhed, men laboratorier udfører kun disse efter ordination af familielægen. Når resultaterne kommer fra laboratoriet, læger har ofte ordineret et antibiotikum, som godt kan være unødvendigt.

Kun en dråbe blod til en diagnose

Forskere ved Fraunhofer IZM i Berlin har siden april 2018 arbejdet på projektet Graph-POC på en grafenoxid-baseret sensorplatform for at klare netop disse udfordringer med at diagnosticere infektioner. En enkelt dråbe blod eller spyt er alt, der skal til for at udføre en nøjagtig analyse. Blot et par minutter efter, at dråben er påført sensorens overflade, elektriske signaler formidler testresultatet til familielægens kontor. Denne hurtige test giver sikkerhed inden for kun 15 minutter for at erstatte det langvarige blodarbejde i laboratoriet. Det fjerner fejlen og gætværket fra diagnosen, så lægen kan ordinere den passende behandling eller passende antibiotika.

Testen kan også sættes op til at påvise antistoffer, der er til stede, efter at en patient er kommet sig over en infektion. Fraunhofer IZM-forskere fokuserer nu på denne applikation for at opdage tidligere infektioner med COVID-19-virussen, som kan hjælpe med bestræbelser på at spore, hvordan smitten har spredt sig. Den menneskelige krop danner molekyler eller proteiner kaldet biomarkører som reaktion på en infektion. Fang molekyler placeret på overfladen af ​​den grafen-baserede sensor for at detektere disse biomarkører. Differentielle målinger af biomarkørers koncentration afgør, om der er en infektion.

3-D struktur for at forstørre målefladen

Denne sensorplatforms mest bemærkelsesværdige egenskab er dens basismateriale:Elektrisk ledende og biokompatibel, grafenoxid er også et meget pålideligt detektionsmiddel. Til dato, det er kun blevet brugt i mikroelektronik i sin oprindelige form, et 2-D monolag. Fraunhofer IZM-forskere anvender det nu i en 3D-struktur i form af flager. Denne 3D-form øger målefladen og nøjagtigheden af ​​målinger.

Manuel Bäuscher, videnskabsmand ved Fraunhofer IZM og delprojektleder hos Graph-POC, ser store perspektiver forude for disse grafenoxidsensorer:"Vi kan dreje fra det nuværende medicinske område til også at udvikle os i retning af behovet; det vil sige, til miljøteknologi og påvisning af miljøpåvirkninger. Men selvfølgelig er corona-applikationen vores første prioritet." Grafenoxidflagernes 3D-array og øgede følsomhed åbner også døren til yderligere applikationer. F.eks. det kunne detektere skadelige gasser såsom kulilte eller acetone selv ved stuetemperatur. Som det står, disse gasser skal først opvarmes for at udløse en overfladereaktion, som nutidens sensorer kan detektere. Grafenoxidsensoren reagerer ved lavere temperaturer, når metaloxider binder sig til dens følsomme overflade.

Fraunhofer IZM-forskere påtager sig endnu en udfordring for at skalere produktionsprocessen op til massefremstilling:De søger at påføre grafenoxidbelægningen på wafer-niveau, så hundredvis af chips kan behandles på én gang.

Antistoffer kan påvises efter coronavirus-infektioner om cirka et år

De grafenoxid-baserede sensorer skal integreres i en plastikbærer, og systemets pålidelighed skal testes, før de hurtige test kan implementeres. Selvom det oprindelige projekt til at opdage infektioner forventes at løbe indtil foråret 2021, forskerne forventer ikke at kunne verificere sensoren for coronavirus endnu et år. Partnerne i dette projekt er Charité, Aptarion Biotech AG, Technische Universität Berlin, MicroDiscovery GmbH og alpha-board GmbH. Det er finansieret af det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning (BMBF).