Echtzeit-Nachweis von Infektionsviren durch Suche nach molekularem Fingerabdruck

Forscher entwickeln bahnbrechende Technologie für einen weitreichenden und hochempfindlichen aktiven Nanospektralsensor, der die derzeitigen Grenzen überschreitet

22.04.2024

Ein Forscherteam, bestehend aus Professor Kyoung-Duck Park und den Doktoranden Taeyoung Moon und Huitae Joo vom Fachbereich Physik der Pohang University of Science and Technology (POSTECH), hat einen “broadband nanogap gold spectroscopic sensor” entwickelt, bei dem ein flexibles Material verwendet wird, das sich biegen lässt, um eine kontrollierte Lücke zu schaffen. Mit der entwickelten Technologie ist es möglich, mit einem einzigen nanospektroskopischen Sensor schnell verschiedene Arten von Materialien zu testen, darunter auch Viren für Infektionskrankheiten, um molekulare Fingerabdrücke zu finden.

Das Auftreten pandemischer Epidemien wie COVID-19 hat die Notwendigkeit schneller und präziser Analysemethoden unterstrichen, um sich auf mögliche zukünftige Virusausbrüche vorzubereiten. Die Raman-Spektroskopie, bei der Gold-Nanostrukturen verwendet werden, liefert Informationen über die innere Struktur und die chemischen Eigenschaften von Materialien, indem sie die unterschiedlichen Schwingungen von Molekülen, die als "molekulare Fingerabdrücke" bekannt sind, mit Hilfe von Licht mit bemerkenswerter Empfindlichkeit analysiert. Daher könnte es eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der Positivität eines Virus spielen.

Herkömmliche hochempfindliche Raman-Spektroskopie-Sensoren erkennen jedoch nur einen Virustyp mit einem einzigen Gerät, was bei klinischen Anwendungen zu Einschränkungen in Bezug auf Produktivität, Nachweisgeschwindigkeit und Kosten führt.

Dem Forschungsteam gelang es, eine eindimensionale Struktur im Millimeter-Maßstab herzustellen, die Nanolücken aus Gold aufweist, die nur ein einziges Molekül mit festem Sitz aufnehmen. Dieser Fortschritt ermöglicht eine großflächige, hochempfindliche Raman-spektroskopische Abtastung. Darüber hinaus konnten sie flexible Materialien effektiv in das Substrat des Gold-Nanogap-Spektroskopiesensors integrieren. Schließlich entwickelte das Team eine Quellentechnologie für einen breitbandigen aktiven Nanospektralsensor, der den maßgeschneiderten Nachweis spezifischer Substanzen mit einem einzigen Gerät ermöglicht, indem es die Nanolücke auf die Größe eines Virus verbreitert und ihre Breite frei an die Größe und Art von Materialien, einschließlich Viren, anpasst.

Darüber hinaus verbesserten sie die Empfindlichkeit und Kontrollierbarkeit des Sensors durch die Kombination von Technologien der adaptiven Optik, die in Bereichen wie der Weltraumoptik, z. B. dem James-Webb-Teleskop, eingesetzt werden. Darüber hinaus erstellten sie ein konzeptionelles Modell für die Erweiterung der hergestellten eindimensionalen Struktur zu einem zweidimensionalen spektroskopischen Sensor und bestätigten theoretisch die Fähigkeit, Raman-spektroskopische Signale um das bis zu mehrere Milliarden Mal zu verstärken. Mit anderen Worten, es wird möglich, die Positivität von Viren in Echtzeit innerhalb von Sekunden zu bestätigen, ein Prozess, der früher Tage für die Überprüfung benötigte.

Die Errungenschaften des Forscherteams, die derzeit zum Patent angemeldet sind, sollen im Falle unerwarteter Infektionskrankheiten wie COVID-19 für eine schnelle Reaktion durch hochempfindliche Echtzeittests genutzt werden, um eine wahllose Ausbreitung zu verhindern. Taeyoung Moon, Hauptautorin der Studie, unterstreicht die Bedeutung ihrer Leistung mit den Worten: "Dies bringt nicht nur die wissenschaftliche Grundlagenforschung bei der Identifizierung einzigartiger Materialeigenschaften von Molekülen bis hin zu Viren voran, sondern erleichtert auch praktische Anwendungen, indem es den schnellen Nachweis eines breiten Spektrums neu auftretender Viren mit einem einzigen, maßgeschneiderten Sensor ermöglicht."

Die gemeinsame Forschung wurde gemeinsam mit dem Team von Professor Dai-Sik Kim vom Fachbereich Physik der UNIST und einem Team unter der Leitung von Professor Yung Doug Suh vom Fachbereich Chemie der UNIST durchgeführt, der stellvertretender Direktor des Zentrums für mehrdimensionale Kohlenstoffmaterialien am Institut für Grundlagenforschung (IBS) ist. Außerdem führten Yeonjeong Koo, Mingu Kang und Hyeongwoo Lee vom Fachbereich Physik des POSTECH Messungen durch. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift Nano Letters veröffentlicht.

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Originalveröffentlichung

Taeyoung Moon, Huitae Joo, Bamadev Das, Yeonjeong Koo, Mingu Kang, Hyeongwoo Lee, Sunghwan Kim, Cheng Chen, Yung Doug Suh, Dai-Sik Kim, Kyoung-Duck Park; "Adaptive Gap-Tunable Surface-Enhanced Raman Spectroscopy"; Nano Letters, Volume 24, 2024-3-18

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