Sicherer und schneller: Tuning für medizinische Schnelltests

Selbsttests gibt es schon lange, zum Beispiel, um frühzeitig eine mögliche Schwangerschaft festzustellen. Seit Ausbruch der Corona-Pandemie sind Schnelltests praktisch zum Alltagsgegenstand geworden. Sie haben den Vorteil, dass sie praktisch und einfach zu handhaben sind und sie überall verwendbar. Ihr Prinzip, nach dem sie funktionieren, ist die Mikrofluid-Methode. Das bedeutet: Wässrige Lösungen durchdringen aufgrund von Kapillarkräften den Teststreifen aus Papier. Mögliche Viren-Partikel oder Schwangerschaftshormone lagern sich aufgrund ihrer Antikörper an. In Kombination mit einem speziellen Färbungssystem werden diese Substanzen dann in Form eines Streifens für das menschliche Auge sichtbar.

Die Corona-Schnelltests haben während der Hochphase der Pandemie durchaus auch Schwächen gezeigt. Nicht bei jedem Test war die farbige Linie gleich gut ausgeprägt. Das hat natürlich für Unsicherheiten gesorgt. Genau damit haben sich Forschende der ETH Zürich beschäftigt und einen Weg gefunden, Tests schneller, empfindlicher und genauer zu gestalten. Die Lösung: leitende Elektroden innerhalb des Teststreifenpapiers.

Schnelltests funktionieren besser – mit Kohlenstoff

Das Team der ETH Zürich verband die einfache und kostengünstige papierbasierte Mikrofluidik mit elektronischen Messverfahren, die eben empfindlichere und genauere Ergebnisse produzierten. Dafür mussten die Forschenden allerdings erst einmal eine Hürde überwinden. Normalerweise entsteht kaum eine Wechselwirkung zwischen Wasser und elektrischen Leitern. Deshalb beschäftigten sie sich mit der Umwandlung der Zuckerpolymere. Sie sind ein wichtiger Bestandteil der Cellulose, das wiederum in dem Papier enthalten ist. Diese Umwandlung erfolgte mithilfe eines Lasers. Dabei kamen Graphen heraus, also eine spezielle Form des Kohlenstoffs.

Graphen sind dafür bekannt, leitfähig zu sein. Sie gelten auch als ein Elektronikwerkstoff der Zukunft. Allerdings haben sie auch einen Nachteil, da sie wie nahezu alle leitenden Stoffe Wasser abstoßen, also hydrophob sind. Den Forschenden gelang es allerdings, die Zersetzung der Cellulose derart zu dosieren, dass einerseits die Cellulose wie gewünscht porös blieb und andererseits einzelne Sauerstoffgruppen der Cellulose bestehen blieben und so Teile der Oberfläche der Graphen abdeckten. Gelungen ist dem Team dieser Coup dank eines Lasers, der sich entsprechend einstellen ließ.

Farbige Bilder ohne Farbstoff? Intelligente Lasertechnik macht es möglich

Schnelltest-Papier behandeln – bereit für den Laser

Das elektronische Signal entsteht dann, wenn zum Beispiel ein Viruspartikel mit einem Antikörper auf der Elektrode reagiert. Dadurch werden Messungen und Ergebnisse solcher Schnelltests nun genauer und auch das Resultat liegt deutlich schneller vor. Damit das Papier durch die Energie des Lasers nicht verkohlt oder verbrennt, behandelten die Forschenden es mit Flammschutzmitteln. Weitere Tests ergaben, dass sich das Ergebnis auch mit geringerer Laserleistung, dafür aber mit mehreren Impulsen erzielen ließ.

Die Forschergruppe hatte für ihre Tests ein klares Ziel vor Augen: „Unser größter Ansporn ist es, grundlegende chemische und biologische Experimente zu verbessern, dass dabei neue wissenschaftliche Möglichkeiten entstehen“, sagen Chih-Jen Shih und Andrew deMello. Für ihr Forschungsergebnis war es deshalb von Vorteil, dass sie die unterschiedlichen Kompetenzen miteinander verbanden. Aus der Gruppe von Chih-Jen Shih kam die Expertise zur direkten Erzeugung der Leitfähigkeit im Papier und die Gruppe von Andrew deMello steuerte das Know-how zu Mikrofluidiksystemen bei.

Zahlreiche Einsatzgebiete für neue Schnelltests

Diese neuen Schnelltests sind nach Ansicht der Forschenden für zahlreiche unterschiedliche Anwendungen geeignet: zum Beispiel könnten Patientinnen und Patienten mit ihnen selbstständig ihre Biomarker überwachen. Biomarker geben Auskunft darüber, ob Krankheiten vorliegen. Man kann aber auch anhand ihrer Werte feststellen, wie sich eine Krankheit vermutlich weiterentwickelt, aber auch, ob eine Behandlung Erfolg zeigt oder nicht. Zu den gängigen Biomarkern zählen Blutzucker, Cholesterin, Botenstoffe wie Hormone und Eiweiße, aber auch die Vitalzeichen Blutdruck, Puls und die Körpertemperatur lassen sich unter dem Oberbegriff zusammenfassen.

Flexible Batterie für bessere Wearables – mit innovativen Folien

Ein Einsatz der neuen Schnelltests ist auch in entlegenen Gebieten der Welt denkbar, in denen man dadurch innerhalb weniger Minuten feststellen kann, ob eine Krankheit vorliegt. Das könnte vielleicht bei der Seuchenbekämpfung in dicht besiedelten Gebieten mit eher geringen Hygienestandards helfen. Auch bei der Untersuchung von bestimmten Stoffen im Boden, Wasser und in der Luft können diese Art von Schnelltests unterstützen. Grundsätzlich sind sie dann geeignet, wenn es darum geht, aus wässrigen Lösungen Ergebnisse zu erhalten. Abschließend vereinfachte die Forschergruppe sogar noch die Herstellung dieser besonderen Papierstreifen, so dass auch diese sich schneller und kostengünstiger herstellen lassen.

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