Schnelle, präzise COVID-19-Detektion mit Graphentechnologie

Forscher haben Graphen – eines der stärksten, dünnsten bekannten Materialien – genutzt, um das SARS-CoV-2-Virus in Laborexperimenten nachzuweisen. Die Entdeckung hat potenzielle Anwendungen im Kampf gegen COVID-19 und seine Varianten.

Experimenteller Aufbau

In Experimenten kombinierten Forscher Graphenschichten – mehr als 1.000-mal dünner als eine Briefmarke – mit einem Antikörper, der auf das Spike-Protein des Coronavirus abzielt. Sie maßen dann die atomaren Vibrationen dieser Graphenschichten bei Exposition mit COVID-positiven und -negativen Proben in künstlichem Speichel. Diese Schichten wurden auch in Gegenwart anderer Coronaviren wie MERS-CoV getestet.

Die Vibrationen der antikörper-kupplierten Graphenschicht änderten sich bei Behandlung mit einer COVID-positiven Probe, nicht jedoch bei COVID-negativer Probe oder anderen Coronaviren. Vibrationsänderungen, gemessen mit einem Raman-Spektrometer, waren in unter fünf Minuten evident.

Graphen-Eigenschaften ermöglichen hochempfindliche Detektion

Graphen – als „Wundermaterial“ bezeichnet – hat einzigartige Eigenschaften, die es hochvielseitig machen und diesen Sensortyp ermöglichen. Graphen ist ein einatomdickes Material aus Kohlenstoff. Kohlenstoffatome sind durch chemische Bindungen verbunden, deren Elastizität und Bewegung resonante Vibrationen – Phononen – erzeugen, die sehr präzise messbar sind. Wenn ein Molekül wie SARS-CoV-2 mit Graphen interagiert, ändert es diese resonanten Vibrationen auf sehr spezifische, quantifizierbare Weise.

Da Graphen nur ein Atom dick ist, ist ein Molekül auf seiner Oberfläche relativ riesig und kann eine spezifische Änderung seiner elektronischen Energie bewirken. In diesem Experiment modifizierten die Forscher Graphen mit einem Antikörper und kalibrierten es im Wesentlichen so, dass es nur mit dem SARS-CoV-2-Spike-Protein reagiert. Mit dieser Methode könnte Graphen ähnlich genutzt werden, um COVID-19-Varianten zu detektieren.