Optischer Virenkontrolleur
Ein plasmonischer Sensor detektiert Viren zerstörungsfrei.
Physik Journal – Ein plasmonischer Sensor detektiert Viren zerstörungsfrei.
Die Angst vor neuen Viren, die sich schnell verbreiten und eine Pandemie auslösen können, ist in den vergangenen Jahren deutlich gestiegen. SARS und die Schweinegrippe waren sicherlich die prominentesten Beispiele. Um Epidemien früh erkennen und begrenzen zu können, sind schnelle und zuverlässige Diagnosetechniken wichtig, die sich am besten direkt vor Ort einsetzen lassen. Etablierte Erkennungsverfahren wie die Zellkultivierung oder die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) erfüllen diese Anforderungen nur schlecht. Andererseits gibt es in der Diagnose von Krebs oder Infektionskrankheiten Fortschritte mit Biosensoren. Solche Sensoren kommen zum Beispiel ohne enzymatische Detektion oder fluoreszierende Marker aus und ermöglichen einfache, günstige, patientennahe Labordiagnostik.
Vor allem optische Biosensoren gelten als vielversprechend, weil sie von den physiologischen Veränderungen während der Messung nicht beeinflusst werden. Wissenschaftler der Boston University in Massachusetts haben nun einen plasmonischen Biosensor entwickelt, der klinisch relevante Konzentrationen intakter Viren in biologischen Medien erkennen kann, ohne dass die Proben hierfür präpariert werden müssen.
Der Sensor besteht aus einer Matrix winziger Löcher (mit 200 nm bis 350 nm Durchmesser), welche die Forscher mit Lithografie und Ätzverfahren herstellen. An der Oberfläche des Sensors sitzen Antikörper. Bei bestimmen Wellenlängen überträgt der Sensor einfallendes Licht sehr viel stärker als es die klassische Aperturtheorie erwarten ließe. Diese außergewöhnliche optische Transmission (EOT) ist ein Resonanzphänomen und kommt dadurch zustande, dass das Licht Oberflächenplasmonen anregt.
Die Resonanzwellenlänge hängt von der dielektrischen Konstante des Mediums ab, das den Sensor umgibt. Binden Viren an die Antikörper auf der Sensoroberfläche, nimmt der Brechungsindex des Mediums zu und die Resonanz verschiebt sich zu längeren Wellenlängen. Die Rotverschiebung ist also ein direktes Indiz für den Virus.
Der Sensor der amerikanischen Forscher arbeitet bei Viruskonzentrationen, die sich über mehr als drei Größenordnungen erstrecken können. Bei hohen Viruskonzentrationen fällt die Rotverschiebung des transmittierten Lichts so stark aus (rund 100 nm), dass die Farbänderung sogar visuell erkennbar ist. Prinzipiell detektieren die Wissenschaftler die Rotverschiebung spektroskopisch.
Da die Ansprechwahrscheinlichkeit des Biosensors gegenüber Änderungen des Brechungsindexes mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche rasch abnimmt, stören Brechungsindexvariationen aufgrund von Temperaturschwankungen im Medium, das die Viren transportiert, kaum. Der Sensor ist skalierbar und lässt sich mit den richtigen Antikörpern für verschiedene Viren „scharf“ machen.
Michael Vogel
Quelle: Physik Journal, Januar 2011, S. 17
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