De sensor zou kunnen worden gebruikt om virusdeeltjes in drukke omgevingen zoals stations te kunnen detecteren
Jing Wang en zijn medeonderzoekers bij Empa en en de technische hogeschool in Zürich (ETHZ) houden zich meestal bezig met de ontwikkeling van sensoren die luchtvervuiling meten. Ze waren al aan de gang om sensoren te ontwikkelen die bacteriën en virussen kunnen meten die in de lucht zweven, maar sedert januari hebben ze hun kaarten gezet op een coronasensor. De sensor komt niet in de plaats van labtests, maar zou gebruikt kunnen worden op plaatsen waar, normaal gesproken, veel mensen komen zoals stations of misschien wel stadions. Voor de sensor op de markt komt moet er nog wel wat aan gesleuteld worden.
De labtests voor het coronavirus SARS-Cov-2 maken gebruik van de de polymerasekettingreactie (RT-PCR) om het virus in de luchtwegen te detecteren. Daarmee zijn zelfs kleine hoeveelheden virussen aan te tonen. De methode schijnt tijd te nemen en nogal foutgevoelig te zijn.
Wang en de zijnen maakten een thermo-optische biosensor. Daarin zijn een thermische en een optische sensor verenigd om het virus veilig en betrouwbaar te kunnen detecteren. Het hart van de sensor wordt gevormd door minuscule gouddeeltjes op een glazen ondergrond. Op die gouddeeltjes zijn synthetische DNA-receptoren verankerd die het RNA van het coronavirus (dat zijn genetische materiaal heeft opgeslagen in RNA en niet in DNA) kunnen herkennen als een slot en een (passende) sleutel.
De techniek die de onderzoekers gebruikten wordt gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie genoemd (in Engelse afko LSPR). Dat is een optisch fenomeen in metallische nanostructuren. Als die worden aangeslagen door licht van een bepaalde golflengte dan ontstaat er rond dat nanodeeltje een zogeheten plasmonisch nabijveld (plasmonen zijn collectieve trillingen van geleidingselektronen volgens de Wikipedia). Als de moleculen van een virusdeeltje binden aan het oppervlak verandert de brekingsindex binnen dat aangeslagen plasmonische nabijveld die te meten is met een optische sensor.
Het is natuurlijk zaak dat alleen RNA-sequenties koppelen aan de DNA-receptor op de gouddeeltjes die precies overeenkomen met de RNA-sequentie van het virus-RNA. Vandaar de controlemeting met een tweede sensor die het plasmonisch fotothermisch effect meet. Als dezelfde nanostructuur op de sensor wordt aangeslagen door licht van een bepaalde golflengte, dan produceert dat plaatselijk warmte.
Als het virus-RNA zijn spiegelbeeld vindt op het gouddeeltje dan koppelen die aan elkaar en vormen een dubbelstreng. Het weer losraken van die twee strengen wordt ‘smelten’ of denaturering genoemd. Dat gebeurt bij de smelttemperatuur.
Als de omgevingstemperatuur veel lager is dan die denatureringstemperatuur dan kunnen strengen die niet complementair zijn toch koppelen en dubbelstrengen vormen. Dat zou het verkeerde signaal geven. Als de omgevingstemperatuur maar ietsje lager is dan de smelttemperatuur dan koppelen alleen complementaire (spiegel-) strengen. En dat is nu net het resultaat van de verhoogde omgevingstemperatuur die veroorzaakt wordt door het plasmonische fotothermische effect, is de verklaring van de onderzoekers.
Betrouwbaarheidstest
Om uit te vinden hoe betrouwbaar hun nieuwe sensor was in het detecteren van het coronavirus ((SARS-Cov-2) gebruikten de onderzoekers ook een familielid: SARS-Cov. Dat is het virus dat in 2003 in China een virusuitbraak veroorzaakte. De twee virussen verschillen qua RNA slechts weinig van elkaar (veel meer dan RNA en een ‘zak’ eromheen heeft een virus niet). Wang: “Het blijkt dat die sensor duidelijk onderscheid kan maken tussen die twee virussen.” En dat in een paar minuten tijd.
Op het ogenblik kan de sensor de virusconcentratie in de lucht nog niet meten. Daarvoor moeten er nog wat zaken op punt gesteld worden zoals een systeem dat de omgevingslucht opneemt en de aerosolen daarin concentreert, waaronder mogelijk virusdeeltjes. “Er moet nog wat aangewerkt worden”, zegt Wang. Als het eenmaal zo ver is dan zou het syseem ook kunnen worden gebruikt om andere virussen te detecteren door simpelweg de sequentie van de DNA-receptor te veranderen.
Bron: Alpha Galileo