05/08/2020
Door Ad Spijkers
Onderzoekers van het Fraunhofer-IZM werken met partners in industrie en gezondheidszorg aan een sensorplatform om acute infecties snel te detecteren.
Onderzoekers van de Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlijn ontwikkelen sinds april 2018 in het project Graph-POC een op grafeenoxide gebaseerd sensorplatform voor snelle diagnose van infecties. Een enkele druppel bloed of speeksel is voldoende om een nauwkeurige analyse uit te voeren.
Slechts een paar minuten nadat de druppel op het oppervlak van de sensor is aangebracht, brengen elektrische signalen het testresultaat over naar de huisarts. Deze snelle test biedt binnen 15 minuten voldoende zekerheid om het langer durend bloedonderzoek in het laboratorium te vervangen. De test kan worden opgezet om antilichamen te detecteren die aanwezig zijn nadat een patiënt is hersteld van een infectie.
De onderzoekers willen infecties met het COVID-19-virus eerder detecteren, wat kan helpen bij het traceren hoe de infectie zich heeft verspreid. Het menselijk lichaam vormt moleculen of eiwitten als reactie op een infectie. Om deze biomarkers te detecteren, worden vangmoleculen op het oppervlak van de sensor geplaatst. Deze kleine moleculen bevatten maar een paar atomen, dus de sensor moet extreem nauwkeurig zijn. Verschilmetingen van de concentratie biomarkers bepalen of een infectie aanwezig is.
3D-structuur
Het basismateriaal van dit sensorplatform is elektrisch geleidend en biocompatibel grafeenoxide. Tot op heden wordt dit alleen in zijn oorspronkelijke vorm (een 2D-monolaag) gebruikt in de micro-elektronica. De onderzoekers passen het materiaal nu toe in een 3D-structuur die het meetoppervlak en de nauwkeurigheid van de metingen vergroot.
De corona-applicatie heeft uiteraard de eerste prioriteit, maar het instituut voorziet meerdere toepassingen voor de grafeenoxide sensoren: Zo kunnen de onderzoekers vanuit het huidige medische veld ze ook ontwikkelen in de richting van milieutechnologie en het opsporen van milieueffecten.
Ook kunnen ze zelfs bij kamertemperatuur schadelijke gassen zoals koolmonoxide of aceton detecteren. Momenteel moeten deze gassen eerst worden verwarmd om een oppervlaktereactie te veroorzaken die de huidige sensoren kunnen detecteren. De grafeenoxidesensor reageert bij lagere temperaturen wanneer metaaloxiden zich hechten aan het gevoelige oppervlak.
Een andere uitdaging voor de onderzoekers is het productieproces op te schalen voor massaproductie. Ze willen de grafeenoxide coating op wafelniveau aanbrengen, zodat honderden chips tegelijk kunnen worden verwerkt.
Antilichamen detecteerbaar
De op grafeenoxide gebaseerde sensoren moeten worden geïntegreerd in een kunststof drager en de betrouwbaarheid van het systeem moet worden getest voordat de sneltests kunnen worden ingezet. Het oorspronkelijke project om infecties te detecteren loopt tot het voorjaar van 2021, maar om de sensor voor het coronavirus te kunnen verifiëren verwachten de onderzoekers nog geen jaar nodig te hebben. Partners in het project zijn Charité, Aptarion Biotech, Technische Universität Berlin, MicroDiscovery en Alpha-Board, alle in Berlijn.
Foto: Fraunhofer IZM / Volker Mai