Einzelne, kürze DNA-Stränge, so genannte Aptamere, binden an ein Ziel und falten sich dann, um ein elektrochemisches Signal auszulösen. Mittels einer Transistor-Lösung lässt sich dieses Signal deutlich verstärken. (Bild: Jonathan Rivnay/Northwestern University)
Die Moleküle im menschlichen Körper stehen in ständiger Kommunikation. Einige liefern einen biochemischen Fingerabdruck, der anzeigen könnte, wie eine Wunde heilt, ob eine Krebsbehandlung anschlägt oder nicht oder ob ein Virus in den Körper eingedrungen ist. „Wenn es uns gelänge, biochemische Signale im Körper zuverlässig zu messen, könnten wir diese Sensoren in tragbare Technologien oder Implantate integrieren, die wenig Platz beanspruchen, weniger belastend sind und keine teure Elektronik benötigen“, so Jonathan Rivnay von der Northwestern University in Illinois/USA, Hauptautor der Studie "Organic electrochemical transistors as on-site signal amplifiers for electrochemical aptamer-based sensing".
Forschungsgruppen haben Sensoren für die Biosensorik unter Verwendung von Aptameren erforscht, einzelne DNA-Stränge, die sich an spezifische Ziele binden. Sie wirken nach erfolgreicher Bindung an ein bestimmtes Ziel wie ein elektronischer Schalter und falten sich zu einer neuen Struktur, was ein elektrochemisches Signal auslöst. Doch bei Aptameren sind die Signale oft schwach und anfällig für Rauschen und Verzerrungen, wenn sie nicht unter idealen und gut kontrollierten Bedingungen getestet werden.
Transistor-Ansatz verstärkt die Signale
Um dieses Problem zu umgehen, hat das Team von Rivnay einen herkömmlichen elektrodenbasierten Sensor mit einer neuen Architektur entwickelt, der das schwache biochemische Signal erfassen und verstärken kann. In diesem neuen Gerät wird die Elektrode zur Erfassung eines Signals verwendet, während der nahe gelegene Transistor für die Verstärkung des Signals zuständig ist. Die Forscher haben außerdem eine Dünnfilm-Referenzelektrode eingebaut, um die verstärkten Signale stabiler und zuverlässiger zu machen.
Zur Validierung der Ergebnisse nutzten die Forscher ein Zytokin, eine Art Signalprotein. Experimente zeigten eine um drei bis vier Größenordnungen verstärktes Signal im Vergleich zu herkömmlichen Aptameter-Sensormethoden. Obwohl die Technologie in Experimenten zur Erkennung von Zytokin-Signalen gut funktionierte, sollte sie laut Rivnay in der Lage sein, Signale von beliebigen Molekülen oder Chemikalien, einschließlich Antikörpern, Hormonen oder Medikamenten, zu verstärken, wenn das Erkennungsschema elektrochemische Reporter verwendet.
Die Autorin: Dr.-Ing. Nicole Ahner
Ihre Begeisterung für Physik und Materialentwicklung sorgte dafür, dass sie im Rahmen ihres Elektrotechnik-Studiums ihre wahre Berufung fand, die sie dann auch ins Zentrum ihres beruflichen Schaffens stellte: die Mikroelektronik und die Halbleiterfertigung. Nach Jahren in der Halbleiterforschung recherchiert und schreibt sie mittlerweile mit tiefem Fachwissen über elektronische Bauelemente. Ihre speziellen Interessen gelten Wide-Bandgap-Halbleitern, Batterien, den Technologien hinter der Elektromobilität, Themen aus der Materialforschung und Elektronik im Weltraum.
