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Terahertz-Technik: Viren mit neuem Chip schnell nachweisen

Diagnostik: Alternative zu PCR-Tests
Terahertz-Technik: Viren mit neuem Chip schnell nachweisen

Chip fuer die Diagnose von Viren
Die Biochips für die Diagnose sind nur 2,2 cm² groß und bestehen aus einem Glasträger, der mit Gold und Chrom beschichtet ist (Bild: Sascha Hüttenhain)

Ein neues, schnelles Testverfahren auf Virus-Erkrankungen wie Covid 19 entwickeln Forscher in Siegen und Erlangen. Die Erreger sollen auf Biochips gebunden und mittels Terahertz-Strahlen detektiert werden.
Nach zwei Jahren Corona-Pandemie kennen viele Menschen das Dilemma: Covid-Schnelltests für zu Hause sind nicht hundertprozentig zuverlässig. PCR-Tests hingegen sind eindeutig – aber auch viel teurer, zeitintensiver und nur von geschulten Labor-Fachkräften auszuwerten. Mit einem neuen Test-Verfahren sollen sich Virus-Erkrankungen wie Covid 19 schon nach wenigen Minuten sicher erkennen lassen. Entwickelt wird das Verfahren von Wissenschaftlern der Universitäten in Erlangen-Nürnberg und Siegen. Der Test soll in einigen Jahren zur Verfügung stehen und kann dann statt im Labor direkt in der Arztpraxis durchgeführt werden kann. Er soll aber nicht nur schneller, sondern auch deutlich günstiger sein als ein PCR-Test.

Statt PCR-Test: Nachweis von Molekülen oder Viren mittels Terahertz-Strahlen

Im Forschungsprojekt Matisse geht es darum, Viruspartikel mit Hilfe von speziellen Biochips und Terahertz-Strahlen nachzuweisen. „Terahertz-Strahlen können charakteristische Schwingungen in biologisch bedeutsamen Molekülen anregen. So entstehen starke Resonanzen, die von einem Terahertz-Empfänger gemessen werden können“, erklärt die Siegener Forscherin Dr. Anna Wigger. Das Team um Projektleiter Prof. Dr. Peter Haring Bolívar möchte auf den in Siegen entwickelten Biochips so genannte „Fänger-Moleküle“ aufbringen, die exakt zu bestimmten, charakteristischen Strukturen von Viruspartikeln passen. Sie sind auch in der Lage, das Virus damit auf der Chip-Oberfläche festzuhalten können. Führt man an dem Chip anschließend eine Terahertz-Messung durch, verändert sich die Resonanz-Frequenz des Sensors – das gesuchte Virus ließe sich so zweifelsfrei nachweisen.

NIR plus THz: In einem Sensor mittels 3D-Druck kombiniert

„Sie können sich das wie bei einer Stimmgabel vorstellen, die einen spezifischen Klang hat“, erläutert Anna Wigger. „Befestigt man ein kleines Gewicht an der Stimmgabel und schlägt sie erneut an, so verändert sich dieser Klang. Ebenso ändert sich bei unserem Mess-Prinzip die Resonanz-Frequenz, wenn die Terahertz-Strahlen auf einen Chip oder Sensor treffen, der ‚beladen‘ ist – bei dem also ein Molekül oder Viruspartikel angedockt hat.“
An der Methode arbeiten die Siegener bereits seit mehreren Jahren. Die Analyse von DNA-Proben funktioniert mit dem Verfahren bereits erfolgreich – so lassen sich mit Hilfe von Biochips und Terahertz-Strahlen zum Beispiel Erbkrankheiten erkennen oder das individuelle Krebsrisiko identifizieren.

Besondere Bedingungen für den Viren-Nachweis mit Terahertz-Strahlen

Bei der Ausweitung des Verfahrens auf die Virus-Erkennung gibt es jedoch einige Herausforderungen, denn Viren sind komplexere Systeme. Anders als die Erbsubstanz-Moleküle, die in getrocknetem Zustand gemessen werden können, braucht der Virus-Nachweis eine wässrige Umgebung.
„Um auf den Chips eine passende Umgebung für die Viruspartikel herzustellen, bringen wir winzige Kanäle auf dem Sensor auf, durch die wir Flüssigkeit pumpen können“, erklärt Elektrotechniker Yannik Loth, der im Rahmen des Projektes seine Doktorarbeit schreibt. „Da Wasser elektrisch leitend ist, müssen wir für die Chips ein neues, elektromagnetisches Design entwickeln, damit die Sensortechnik weiterhin funktioniert.“

Qualitätssicherung: Millimeterwellen machen Strukturen in Bauteilen aus dem 3D-Drucker sichtbar

Terahertz-Strahlen allein reichen nicht – auch Fänger-Moleküle werden gebraucht

Neben der technischen Chipentwicklung spielt bei dem Projekt auch die Biochemie eine wichtige Rolle: Die Fänger-Moleküle sollen ja die gewünschten biologischen Strukturen – zum Beispiel Viren – auf dem Sensor binden. Statt mit Viren arbeiten die Wissenschaftler dabei zunächst mit so genannten Exosomen. „Das sind zelluläre Strukturen, die Viren im Aufbau stark ähneln, die aber für die Arbeit im Labor ungefährlich sind“, erklärt die Doktorandin und Chemikerin Merle Richter. Exosomen seien darüber hinaus noch aus einem anderen Grund interessant, berichtet Richter: „Sie fungieren als Marker für bestimmte Krebsarten. Wenn es uns im ersten Schritt des Projektes also gelingt, Exosomen auf der Chip-Oberfläche zu binden, ließe sich damit bereits eine Methode zur Krebserkennung entwickeln – ein Bereich, mit dem sich insbesondere unsere Kollegen in Erlangen-Nürnberg beschäftigen.“

Zunächst der Krebsnachweis, dann der Virennachweis

Im zweiten Schritt soll die Methode zum Nachweis von Viren erfolgreich angewendet werden. Ziel sei es, eine real einsetzbare Methode zu entwickeln, sagt Anna Wigger: „Bis dahin werden allerdings noch mindestens zehn Jahre vergehen. Wenn es soweit ist, könnte in jeder Arztpraxis ein Gerät stehen, mit dem sich Terahertz-Messungen durchführen lassen. Patienten könnten sich vor Ort auf Viruserkrankungen testen lassen und würden innerhalb von Minuten ein präzises Ergebnis erhalten.“

Partner im Projekt Matisse
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) förert das Projekt Matisse mit über 600000 Euro gefördert. An der Universität Siegen ist neben der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Peter Haring Bolívar vom Lehrstuhl für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik auch Prof. Dr. Bhaskar Choubey vom Lehrstuhl für Analoge Schaltungstechnik und bildgebende Sensorsysteme beteiligt. Er unterstützt in erster Linie die technische Chipentwicklung. Zu den Partnern gehört außerdem Prof. Dr. Anja Bosserhoff vom Lehrstuhl für Biochemie und Molekulare Medizin der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Das Projekt hat eine Laufzeit von drei Jahren.
Wissenschaftliche Ansprechpartnerin:
Dr. Anna Katharina Wigger
Lehrstuhl für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik der Universität Siegen
E-Mail: Anna.wigger@uni-siegen.de

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