Viren aus der dünnen Luft schnappen: Tragbare Sensoren zur Erkennung von COVID-19 und anderen Viren.

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Die Zukunft könnte tragbare und tragbare Sensoren zum Nachweis von Viren und Bakterien in der Umgebung enthalten. Aber so weit sind wir noch nicht. Wissenschaftler der Tohoku-Universität untersuchen seit Jahrzehnten Materialien, die mechanische in elektrische oder magnetische Energie umwandeln können und umgekehrt. Zusammen mit Kollegen veröffentlichten sie in der Zeitschrift Advanced Materials einen Bericht über die jüngsten Bemühungen, diese Materialien zur Herstellung funktioneller Biosensoren zu verwenden.

“Die Forschung zur Verbesserung der Leistung von Virussensoren ist in den letzten Jahren nicht sehr weit fortgeschritten”, sagt Fumio Narita, Werkstoffingenieur an der Tohoku-Universität. “Unser Überblick soll jungen Forschern und graduierten Studenten helfen, die neuesten Fortschritte zu verstehen, um ihre zukünftige Arbeit zur Verbesserung der Empfindlichkeit von Virussensoren zu leiten”.

Piezoelektrische Materialien wandeln mechanische in elektrische Energie um. Antikörper, die mit einem spezifischen Virus interagieren, können auf einer Elektrode platziert werden, die auf einem piezoelektrischen Material aufgebracht ist. Wenn das Zielvirus mit den Antikörpern in Wechselwirkung tritt, verursacht es eine Massenzunahme, die die Frequenz des elektrischen Stroms, der sich durch das Material bewegt, verringert und so seine Anwesenheit signalisiert. Dieser Sensortyp wird für den Nachweis mehrerer Viren untersucht, darunter das Gebärmutterhalskrebs verursachende Human-Papillomavirus, HIV, Influenza A, Ebola und Hepatitis B.

Magnetostriktive Materialien wandeln mechanische in magnetische Energie um und umgekehrt. Diese wurden zur Erkennung bakterieller Infektionen wie Typhus und Schweinepest sowie zum Nachweis von Milzbrandsporen untersucht. Sondenantikörper werden auf einem Biosensor-Chip fixiert, der auf das magnetostriktive Material aufgebracht wird, und dann wird ein Magnetfeld angelegt. Wenn das Zielantigen mit den Antikörpern interagiert, fügt es dem Material Masse hinzu, was zu einer Änderung des magnetischen Flusses führt, die mit einer Sensor-“Aufnahmespule” nachgewiesen werden kann.

Narita sagt, dass Entwicklungen in der künstlichen Intelligenz und Simulationsstudien dazu beitragen können, noch empfindlichere piezoelektrische und magnetostriktive Materialien für den Nachweis von Viren und anderen Krankheitserregern zu finden. Zukünftige Materialien könnten wendelfrei, drahtlos und weich sein, so dass sie sich in Stoffe und Gebäude einbauen lassen.

Wissenschaftler untersuchen sogar, wie diese und ähnliche Materialien verwendet werden können, um SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, in der Luft nachzuweisen. Ein solcher Sensor könnte zum Beispiel in unterirdische Belüftungssysteme von Verkehrsmitteln eingebaut werden, um die Ausbreitung des Virus in Echtzeit zu überwachen. Tragbare Sensoren könnten Menschen auch aus einer virushaltigen Umgebung wegführen.

“Wissenschaftler müssen noch wirksamere und zuverlässigere Sensoren zur Viruserkennung mit höherer Empfindlichkeit und Genauigkeit, geringerer Größe und geringerem Gewicht und zu einem besseren Preis entwickeln, bevor sie in Heimanwendungen oder intelligenter Kleidung eingesetzt werden können”, sagt Narita. “Diese Art von Virensensor wird mit weiteren Entwicklungen in der Materialwissenschaft und technologischen Fortschritten in der künstlichen Intelligenz, im maschinellen Lernen und in der Datenanalyse Realität werden”.

Referenz: “Ein Überblick über piezoelektrische und magnetostriktive Biosensormaterialien zum Nachweis von COVID-19 und anderen Viren” von Fumio Narita, Zhenjin Wang, Hiroki Kurita, Zhen Li, Yu Shi, Yu Jia und Constantinos Soutis, 24. November 2020, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202005448.

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