Genaue Schnelltests aus smartem Graphen-Papier

Schwangerschafts- und Covid-Schnelltests haben gegen¨¹ber anderen medizinischen Analysen einen grossen Vorteil. Sie sind so einfach, dass sie jede:r praktisch ¨¹berall selbst durchf¨¹hren kann. Daf¨¹r sorgt das zuverl?ssige Grundprinzip dieser sogenannten Mikrofluidik-Methoden: W?ssrige L?sungen diffundieren mithilfe von Kapillarkr?ften durch einen Papier-Teststreifen hindurch. Gesuchte Substanzen wie Viren-Partikel oder Schwangerschaftshormone lassen sich dabei an einer gew¨¹nschten Stelle mit Hilfe von Antik?rpern festhalten und aufkonzentrieren. Ein F?rbungssystem macht dann die dichter werdende Probesubstanz langsam als Streifen sichtbar. 

So einfach und zuverl?ssig dieses Grundprinzip funktioniert, so schwierig kann sich die optische Beurteilung der Resultate gestalten. Die Frage, ob da eine Linie sichtbar oder ob es nur Einbildung sei, hat uns seit dem Ausbruch der Covid-Pandemie wahrscheinlich schon alle mindestens einmal besch?ftigt.

Genau hier setzt die Erfindung des ETH-Teams an. Sie haben einen Weg gefunden, um leitende Elektroden direkt innerhalb des Teststreifenpapiers zu bilden. So entsteht bei der Bindung eines gesuchten Stoffs direkt ein elektronisches Signal. Messungen werden dadurch viel empfindlicher, schneller und genauer.

G¨¹nstige Papiertechnologie besser machen

Chih-?Jen Shih and Andrew deMello teilen eine Leidenschaft: ?Unser gr?sster Ansporn ist es, grundlegende chemische oder biologische Experimente so zu verbessern, dass dabei neue wissenschaftliche M?glichkeiten entstehen.? Genau das ist ihren Forschungsgruppen jetzt mit den Schnelltests gelungen. Davon, dass sie die einfache und kosteng¨¹nstige papierbasierte Mikrofluidik mit der Empfindlichkeit und Genauigkeit von elektronischen Messverfahren kombiniert haben, profitiert eine Vielzahl von analytischen Anwendungen. Von der selbst?ndigen ?berwachung von Biomarkern im Blut durch Patient:innen, ¨¹ber Boden,- Luft oder Wasserproben im Feld bis hin zu minutenschnellen Krankheitstests in entlegenen Weltgegenden; das potenzielle Einsatzspektrum deckt praktisch alle chemischen, biologischen und medizinischen Analysen ab, die sich in w?ssrigen L?sungen durchf¨¹hren lassen.

Kombination von Kompetenzen als Schl¨¹ssel

Bisherige Versuche, die kosteng¨¹nstige Papier-Chemie mit Detektionselektroden auszustatten wurden durch eine grunds?tzliche Eigenschaft von leitenden Stoffen behindert: Elektrische Leiter wechselwirken prinzipiell kaum mit Wasser und wirken darum als Barrieren f¨¹r den Fluss von Proben- und Reaktionsgemischen in einem Papierstreifen.

Um diese H¨¹rde zu ¨¹berwinden und um die Technik zu einem zuverl?ssigen Verfahren zu entwickeln, die auch in weniger entwickelten Weltgegenden funktioniert, war die Kombination von unterschiedlichen Kompetenzen n?tig, wie deMello betont. F¨¹r den neuen Schnelltest kombinierten die ETH-Forschenden deshalb ihre Expertisen: Aus Shihs Gruppe kam das Knowhow zur direkten Erzeugung der Leitf?higkeit im Papier. DeMellos Gruppe steuerte das Wissen ¨¹ber Mikrofluidiksysteme bei.

Laser zersetzt die Cellulose zu reinem Kohlenstoff

Die Basis f¨¹r die Erfindung legt die Umwandlung der Zuckerpolymere, aus denen die Cellulose im Papier aufgebaut ist, mit Hilfe eines Lasers in Graphen. Diese spezielle Form des Kohlenstoffs ist leitf?hig und gilt als ein Elektronikwerkstoff der Zukunft.

Bei der Umwandlung mittels Laser werden die Cellulose-Molek¨¹le in ihre Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Wasserstoff zersetzt, vergleichbar mit dem Karamellisieren von Haushaltzucker. W?hrend beim langen Erhitzen von Zucker in einer Pfanne aber nur gew?hnliche Kohle zur¨¹ckbleibt, die den elektrischen Strom nicht leitet, gelang es den ETH-Wissenschaftlern mit dem Laser in die Kohlenstoffatome der Cellulose leitf?higes Graphen umzuorganisieren.

Cleveres Tuning macht den Unterschied

Das Erzeugen von Graphen in Cellulose-Papier allein h?tte allerdings nicht ausgereicht. Das Wundermaterial ist n?mlich wie praktisch alle anderen leitenden Stoffe hydrophob. Das heisst, es st?sst Wasser ab und dieses kann dadurch auch nicht einfach durch es hindurchfliessen. Dank einem cleveren Tuning der Laser-Energie ist es den Forschenden aber gelungen, die Zersetzung der Cellulose zu Graphen so dosiert durchzuf¨¹hren, dass nicht nur die urspr¨¹ngliche Porosit?t der Cellulose erhalten bleibt. Auch einzelne der Sauerstoffgruppen der Cellulose bleiben auf der Oberfl?che der Graphen-Bereiche bestehen.

Diese Sauerstoffgruppen k?nnen mit Wassermolek¨¹len wechselwirken und sorgen so in den Elektroden f¨¹r eine praktisch gleich gute Benetzbarkeit wie im restlichen Papier. Zudem lassen sich an diese Sauerstoffgruppen auch sogenannte Reportermolek¨¹le chemisch binden. So ensteht beispielsweise direkt ein elektronisches Signal, wenn ein Viruspartikel mit einem Detektions-Antik?rper auf der Elektrode interagiert.

Wissenschaft zum praxistauglichen Produkt entwickeln

Das Tuning der Laserenergie nahmen die Forschenden an zwei Hauptstellschrauben vor: Zum einen behandelten sie das Papier mit Flammschutzmitteln. Diese verhindern, dass die Laserenergie die Cellulose vollst?ndig verkohlt oder gar verbrennt. Zum anderen wurde die Laserleistung verringert und stattdessen mit mehreren Pulsen gearbeitet, die eine geringere Energie pro Fl?cheneinheit in das Papier bringen.

Shih und deMello haben sich aber nicht damit begn¨¹gt, das Prinzip der Papierelektroden wissenschaftlich zu belegen. Ihr Anspruch war vielmehr, ein in der Praxis brauchbares Produkt zu entwickeln. Daf¨¹r haben sie das Prinzip in praktischen Anwendungsf?llen umgesetzt und auch die Herstellung der Analytik-Papierstreifen massiv vereinfacht. In 90 Minuten lassen sich bereits 176 Sensoren aus einem A4-Papier herstellen und der St¨¹ckkostenpreis betr?gt nur noch 0,02 Dollar.

Optimales Umfeld f¨¹r interdisziplin?re Innovationen

Einen entscheidenden Anteil an der Erfindung hat f¨¹r Shih das Umfeld an der ETH: ?Wir sind Teil des Departements Chemie und angewandte Biowissenschaften. Dadurch werden wir als Ingenieure direkt von der Spitzenforschung inspiriert, die rund um uns herum betrieben wird.?

Wie die zwei Chemieingenieure ihre Erfindung der Gesellschaft zug?nglich machen und vermarkten werden, steht noch nicht fest. Angesichts der enorm breiten Anwendungsm?glichkeiten w?re ein Lizenzmodell denkbar. Aber auch in dieser Beziehung k?nnen sich die Wissenschaftler auf das Umfeld an der ETH verlassen, so deMello: ?Die Verantwortlichen von ETH transfer haben viel Erfahrung im Schutz von geistigem Eigentum und im Verhandeln von Lizenzvertr?gen.?

Unabh?ngig davon, wie die Erfindung den Weg in konkrete Produkte finden wird, d¨¹rften im Endeffekt unz?hlige Menschen auf der ganzen Welt von dieser ETH-Innovation profitieren. Von effektiveren medizinischen Therapien ¨¹ber eine effizientere Landwirtschaft bis hin zum l¨¹ckenlosen Infektionsmonitoring: Das direkte Einbetten von Elektroden in die Teststreifen hebt die M?glichkeiten der Papierfluidik auf eine neue Stufe.