Jenaer Forschende entwickeln stabile Sensoroberflächen für Medikamentenmessungen
Empfindlicherer Nachweis verbessert die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie.
Gerade bei schwer kranken Menschen kann sich die Konzentration eines Wirkstoffs im Blut stark unterscheiden, selbst wenn sie die gleiche Dosis erhalten. Auf Intensivstationen, in der Krebstherapie oder bei der Behandlung schwerer Infektionen kann es deshalb wichtig sein, Medikamentenspiegel regelmäßig zu überprüfen. Bislang geschieht dies meist mit aufwendigen Laborverfahren. Sie sind sehr genau, benötigen aber Zeit, spezielle Geräte und erfahrenes Personal.
Forschende am Leibniz-IPHT arbeiten daran, solche Verfahren künftig durch schnellere, lichtbasierte Methoden zu ergänzen. Ein besonderer Schwerpunkt ist die Raman-Spektroskopie, die am Institut vor allem für Anwendungen in der Krebs- und Infektionsdiagnostik weiterentwickelt wird. Mit dieser Methode lassen sich Moleküle durch Laserlicht anhand ihrer charakteristischen Signale erkennen. Die nun vorgestellte Studie nutzt eine besonders empfindliche Variante davon: die surface-enhanced Raman spectroscopy SERS.
Bei einer Raman-Messung trifft Laserlicht auf eine Probe. Je nachdem, welche Moleküle darin enthalten sind, kommt das Licht leicht verändert zurück. Aus diesem Muster lässt sich ablesen, um welche Stoffe es sich handelt. In medizinischen Proben wie Blutplasma sind diese Hinweise jedoch oft sehr schwach. Kleine Mengen eines Wirkstoffs sicher zu erfassen, ist deshalb eine Herausforderung.
SERS macht solche Signale mit Hilfe winziger Metallstrukturen messbar. Besonders geeignet ist dafür Silber, doch das Material hat einen Nachteil: Es verändert sich an der Luft. Dadurch können Messsignale mit der Zeit an Zuverlässigkeit verlieren. Für eine spätere Anwendung in Kliniken oder Praxen müssen Sensoren jedoch über längere Zeit lagerbar sein und gleichbleibende Ergebnisse liefern.
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Die Teams um Dana Cialla-May und Vladimir Sivakov, sowie Erstautorin Aradhana Dwivedi fanden dafür einen neuen chemischen Weg. Die Arbeit entstand im Rahmen eines von der DFG-geförderten Projekts, das Cialla-May und Sivakov gemeinsam leiten. Die Forschenden ließen auf einem Trägermaterial winzige, stark verzweigte Silberstrukturen wachsen. Unter dem Mikroskop erinnern sie an kleine Bäumchen. Ihre vielen Äste schaffen zahlreiche Stellen, an denen die Lichtsignale von Molekülen verstärkt werden können.
Der entscheidende Schritt ist ein Zusatz aus Sulfat. Die Sulfat-Ionen übernehmen dabei zwei Aufgaben zugleich: Sie steuern das Wachstum der verzweigten Silberstrukturen und schützen deren Oberfläche vor Oxidation. So entsteht ein SERS-Substrat, das empfindlich misst, gut reproduzierbare Signale liefert und lange stabil bleibt. In der Studie waren die Sensoroberflächen unter normalen Lagerbedingungen über mindestens sieben Monate messfähig. Die hohe Oberflächenstabilität und die Ursache der starken SERS-Signale bestätigten die Forschenden unter anderem mit hochauflösender Röntgen-Photoelektronenspektroskopie an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II.
„Silber ist für SERS sehr leistungsfähig, aber seine geringe Stabilität war lange ein Hindernis für praktische Anwendungen“, sagt Dwivedi. „Mit unserem Ansatz konnten wir zeigen, dass sich hochverzweigte Silberstrukturen herstellen lassen, die empfindlich messen und zugleich deutlich robuster bleiben,“ erläutert Vladimir Sivakov.
Auf dem Weg zu einer Anwendung am Krankenbett sind weitere Schritte nötig: Die Probenaufbereitung für Blutplasma oder Blutserum muss einfacher werden, die Herstellung der Sensoroberflächen verlässlich skalierbar sein. Außerdem braucht es standardisierte Geräte, robuste Messabläufe und Auswertemethoden, die die Lichtsignale sicher erkennen, perspektivisch auch automatisiert. [L-IPHT / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
A. Dwivedi, J. Dellith, A. Makarova, et al., Sulfate-Directed Silver Dendrites with Enhanced Stability for Ultrasensitive SERS-Based Therapeutic Drug Monitoring, Adv. Sci. 13(17), e17092, März 2026; DOI: 10.1002/advs.202517092 - Plasmonverstärkte Bioanalytik (Dana Cialla-May), Abt. Spektroskopie und Bildgebung (Jürgen Popp), Leibniz-IPHT, Jena
- Silizium-Nanostrukturen (Vladimir Sivakov), Abt. Spektroskopie und Bildgebung (Jürgen Popp), Leibniz-IPHT, Jena
Anbieter
Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V.Albert-Einstein-Str. 9
07745 Jena
Deutschland
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