Graphen-basierter Biosensor eröffnet neue Perspektiven der Diagnostik

Die Forschenden haben einen wichtigen Durchbruch bei der Entwicklung von Biosensoren auf Graphen-Basis erzielt. Diese Sensoren nutzen die extrem dünne und hoch empfindliche Struktur von Graphen, um Molekülinteraktionen in Proben zu detektieren. Die Herausforderung bestand darin, Graphen für den Einsatz in der Diagnostik zu funktionalisieren, ohne seine einzigartigen elektronischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. 

Zweidimensionale Materialien wie Graphen sind bekannt für ihre Eigenschaften – äußert empfindlich und ultradünn. Um diese jedoch für den Einsatz in Biosensoren zu nutzen, muss auf die Oberfläche von Graphen ein sogenanntes Fängermolekül aufgebracht werden. Diese Moleküle ermöglichen es, zum Beispiel aus Blut- oder Speichelproben gezielt bestimmte Biomarker nachzuweisen. Doch die direkte Funktionalisierung von Graphen führt zu einer Veränderung seiner elektronischen Struktur, was die Sensitivität des Sensors beeinträchtigt. 

Die Forschenden verwendeten für ihre Tests künstlich produzierte Aptamere als Fängermoleküle, die sehr spezifisch bestimmte Moleküle binden können. Zudem wurde eine Schicht aus Polyethylenglykol (PEG) aufgebracht, um nicht-spezifische Bindungen zu verhindern. Dies stellte sicher, dass der Biosensor ausschließlich die relevanten Biomarker detektierte. In ihren Experimenten konnten die Jenaer Forschenden Chemokine nachweisen – eine Proteingruppe, die eine Schlüsselrolle im menschlichen Immunsystem spielt und als Biomarker für verschiedene Krankheiten dient.  

"Dank der Kooperation mit einem medizinischen Labor in den Niederlanden verwendeten wir für diese Versuche Proben aus Nasenabstrichen von echten Patienten", erklärt Prof. Turchanin. "Außerdem lassen sich mit dem entwickelten Graphen-Sensoren nicht nur ein Biomarker finden, sondern hunderte", ergänzt Dr. David Kaiser, Erstautor der Veröffentlichung. 

Der entwickelte Graphen-Biosensor bietet entscheidende Vorteile für die medizinische Diagnostik. Er ist nicht nur deutlich sensitiver als bestehende Sensoren, sondern auch schneller und kostengünstiger. In etwa fünf Minuten können Ergebnisse vorliegen. Zudem lässt sich der Biosensor leicht in Point-of-Care-Geräte integrieren – also in tragbare Geräte, die direkt am Patienten eingesetzt werden können. 

MEDICA.de; Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena