Mit Nanosensoren Erreger optisch erkennen

Ein Forschungsteam vom Leibniz-IPHT entwickelt mit deutschen und japanischen Partnern einen neuartigen Nanosensor zum Nachweis von Krankheitserregern und zur Diagnostik von Immunerkrankungen. Mit spektroskopischen Analyseverfahren lassen sich Krankheitserreger wie Bakterien oder Viren - etwa Krankenhauskeime, Wassererreger oder zoonotische Erreger wie Coronaviren - selbst in kleinsten Proben mit hoher Empfindlichkeit aufspüren.

Dazu stellen Forschende gezielt Nanostrukturen mit gewünschten optischen Eigenschaften her, um diese in Kombination mit (bio)molekularen Komponenten wie DNA als optische Marker und Sensoren zu verwenden. Dabei nutzen sie die lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR), eine spezielle Eigenschaft von Edelmetall-Nanopartikeln und -Nanostrukturen, die durch elektromagnetische Strahlung wie Licht angeregt wird.

Eine weitere Methode, um Strukturen für den spektroskopischen Nachweis von Krankheitserregern zu designen, ist die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS). Hier nutzen Forschende optische Effekte, um die Signalintensität in der Schwingungsspektroskopie signifikant zu erhöhen.

Ein Sensor, zwei Analyseverfahren

Ein Forschungsteam vom Leibniz-IPHT entwickelt nun gemeinsam mit japanischen Forschenden einen Nanosensor, der beide Methoden kombiniert. Im Rahmen des Projektes PlasmonBioSense entwickeln und erproben die Forschungspartner neuartige multifunktionale Sensorsubstrate für Anwendungen in der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz-Spektroskopie (LSPR) und der oberflächenverstärkten Ramanspektroskopie (SERS). Die Forschungspartner kommen aus Osaka und Kure sowie von den Firmen Temicon Gmbh, Furuno Electric Co und Tanaka Kinzoku Kogyo KK.

Als Basis für die Substrate dienen nanostrukturierte Goldsensoren. Diese lassen sich mit einer kostengünstigen Replikationstechnik herstellen - der Nanoimprint-Lithographie (NIL). Kombiniert mit Nanopartikeln ermöglichen diese eine extrem hohe lokale Verstärkung des elektromagnetischen Feldes. Damit lässt sich für beide Analyseverfahren - für LSPR wie für SERS - eine hohe Empfindlichkeit erzielen.

Krankheitserreger in kleinsten Konzentrationen aufspüren

"Wir führen unsere Erfahrung im Entwickeln von bioanalytischen Methoden auf Basis von Nanosensoren zusammen mit dem Know-how des deutschen Firmenpartners, der aus dem Bereich der Strukturierung kommt", erläutert Andrea Csáki. Die Wissenschaftlerin leitet die Arbeitsgruppe Nanobiophotonik am Leibniz-IPHT und organisiert das Projekt PlasmonBioSense gemeinsam mit Projektkoordinator und Forschungsabteilungsleiter Wolfgang Fritzsche.

"Wir entwickeln neuartige und hochempfindliche Substrate, mit denen es möglich sein wird, eine Probe mit den beiden komplementären Methoden LSPR und SERS zu analysieren", so Andrea Csáki. Aufgrund der so erhöhten Empfindlichkeit sollen die Sensoren bei geringeren Konzentrationen bessere Ergebnisse liefern, als aktuelle SERS- und LSPR-Sensoren. Ziel der Forschenden ist es, ein reproduzierbares Herstellungsverfahren für die Substrate zu schaffen.

Zur Anwendung kommen könnten die neuartigen Nanosensoren in der DNA-basierten Bioanalytik, insbesondere für den Nachweis von Krankheitserregern. Dazu gehören Wassererreger und Krankenhauskeime ebenso wie zoonotische Erreger, einschließlich Coronaviren.

"Mit dem innovativen Aufbau hoffen wir, perspektivisch auch die Diagnose von Krankheiten zu erleichtern", so Wolfgang Fritzsche. So könnten die Sensoren als Grundlage für Immunoassays dienen, um Autoimmunerkrankungen und Immunstadien zu erkennen.

Hintergrund: Lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz

Nanopartikel aus Gold oder Silber wechselwirken unter bestimmten Bedingungen mit Licht. Dabei beginnen die freien Elektronen in den Metallatomen der Partikel kohärent, das heißt mit gleicher Frequenz, zu schwingen. Die kollektiven Schwingungen der Elektronen parallel zur Oberfläche des Metalls heißen lokalisierte Oberflächenplasmonen. Sie absorbieren und streuen sichtbares Licht verschiedener Wellenlängen abhängig von Größe, Form und Material der Nanopartikel und deren Umgebung.

Letzteres machen sich Forscher für bioanalytische Fragestellungen zunutze. Bindet ein Analytmolekül an die Erkennungsstrukturen auf der Oberfläche der Metallnanopartikel, ändert sich dort der Brechungsindex und damit die Wellenlänge der Oberflächenplasmonen auf der Metalloberfläche. Die spektrale Änderung wird erfasst und ausgewertet.

Quelle: Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT)