Schnelltest in Origami-Technik

Neues Konzept für Papier-Biosensoren

22.06.2012 - USA

Aufwändige Laboruntersuchungen liefern zwar zuverlässige Ergebnisse, sind aber nicht geeignet für eine patientennahe Diagnostik. Besonders in Entwicklungsländern ist man auf einfache, stromunabhängige, kostengünstige Testmethoden angewiesen. Biosensoren auf Papierbasis sind eine interessante Alternative. Amerikanische Forscher stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt ein besonders pfiffiges Konzept vor: Das Papier einseitig bedrucken, nach Origami-Art falten, einlaminieren – fertig ist der Schnelltest. Zur Auswertung wird lediglich ein Spannungsmesser gebraucht.

Das Team aus Wissenschaftlern von der University of Texas at Austin und der University of Illinois at Urbana-Champaign verwendet Chromatographie-Papier, das mit Wachs bedruckt wird. Die bedruckten Stellen werden wasserabweisend, während das unbedruckte Papier hydrophil bleibt. Auf der einen Hälfte des Papiers kreieren die Forscher um Richard M. Crooks und Hong Liu so einen Proben-Einlass und zwei davon abgehende hydrophile Kanälchen, die in je ein Kämmerchen münden. Über eine schmale Öffnung sind die beiden Kammern miteinander verbunden. Die benötigten Reagenzien werden ebenfalls mit „aufgedruckt“. Auf die zweite Hälfte bringen sie im Siebdruckverfahren zwei Elektroden aus leitfähiger Carbon-Tinte auf. Anschließend wird einfach mittig gefaltet – nach dem Origami-Prinzip, das heißt ohne Kleben entsteht eine dreidimensionale Struktur. Die Elektroden kommen dabei in Kontakt mit den Kämmerchen. Zuletzt wird das gefaltete Papier einlaminiert.

Wird ein Tropfen der Probe in die Einlassöffnung gegeben, wandert die Flüssigkeit in die zwei Kanäle. Einer der Kanäle enthält Mikro-Kügelchen, die mit einem Aptamer beschichtet sind. Ein Aptamer ist ein DNA-Strang, der so konstruiert werden kann, dass er selektiv an fast jedes gewünschte Analyt-Molekül bindet. Zu Demonstrationszwecken wählten die Forscher ein Aptamer für Adenosin. Ist Adenosin in der Probe, bindet dieses an das Aptamer. Dabei setzt es ein Enzym frei, das an das Aptamer gekoppelt war. Das Enzym fließt im Kanälchen weiter und erreicht die Kammer, in der Glucose sowie Berliner Blau (Eisenhexacyanoferrat) enthalten sind. Diese Verbindung enthält dreiwertiges Eisen. Das Enzym, Glucoseoxidase, oxidiert die Glucose, dabei wird das Eisen des Berliner Blaus zu zweiwertigem Eisen reduziert.

Im zweiten Kanälchen sind Kügelchen ohne Aptamer enthalten. Im zweiten Kämmerchen wird daher kein Eisen reduziert. Da die Oxidationsstufe des Eisens in der einen Kammer verändert wurde und so nicht mehr in beiden Kämmerchen die gleiche Zusammensetzung herrscht, baut sich ein elektrisches Potenzial auf, das sich mit einem Kondensator und einem elektrischen Messgerät, wie man es auch zur Spannungsprüfung einer Batterie verwendet, messen lässt.

Nach diesem Prinzip können Schnelltest für eine breite Palette verschiedenster Zielmoleküle einfach und kostengünstig hergestellt werden.