Ein neuartiger chemischer Raman-Sensor aus nudelartigen Goldfäden

Die Forscher entwickelten einen speziellen ultradünnen Sensor, der aus Gold gesponnen ist und ohne Irritationen oder Beschwerden direkt auf der Haut angebracht werden kann. Der Sensor kann verschiedene Biomarker oder Substanzen messen, um eine chemische Analyse am Körper durchzuführen. Es funktioniert mit einer Technik namens Raman-Spektroskopie, bei der auf den Sensor gerichtetes Laserlicht leicht verändert wird, je nachdem, welche Chemikalien zu diesem Zeitpunkt auf der Haut vorhanden sind. Der Sensor lässt sich sehr fein abstimmen und ist robust genug für den praktischen Einsatz.

Wearable-Technologie ist nichts Neues. Vielleicht tragen Sie oder jemand, den Sie kennen, eine Smartwatch. Viele von ihnen können bestimmte Gesundheitsaspekte wie die Herzfrequenz überwachen, aber derzeit können sie keine chemischen Signaturen messen, die für die medizinische Diagnose nützlich sein könnten. Smartwatches oder spezialisiertere medizinische Monitore sind auch relativ sperrig und oft recht kostspielig. Angeregt durch solche Mängel suchte ein Team aus Forschern der Fakultät für Chemie der Universität Tokio nach einem neuen Weg, um verschiedene Gesundheitszustände und Umweltaspekte auf nichtinvasive und kostengünstige Weise zu erfassen.

„Vor einigen Jahren stieß ich auf eine faszinierende Methode zur Herstellung robuster, dehnbarer elektronischer Komponenten von einer anderen Forschungsgruppe an der Universität Tokio“, sagte Limei Liu, zum Zeitpunkt der Studie Gastwissenschaftler und derzeit Dozent an der Yangzhou University in China. „Diese Geräte sind aus ultrafeinen, mit Gold beschichteten Fäden gesponnen und können daher problemlos an der Haut befestigt werden, da Gold nicht mit der Haut reagiert oder sie in irgendeiner Weise irritiert. Als Sensoren waren sie jedoch darauf beschränkt, Bewegungen zu erkennen, und wir haben gesucht nach etwas, das chemische Signaturen, Biomarker und Medikamente erkennen kann. Also haben wir auf dieser Idee aufgebaut und einen nicht-invasiven Sensor geschaffen, der unsere Erwartungen übertroffen hat und uns dazu inspiriert hat, nach Wegen zu suchen, um seine Funktionalität noch weiter zu verbessern.“

Die Hauptkomponente des Sensors ist das feine Goldnetz, da Gold nicht reaktiv ist, was bedeutet, dass es bei Kontakt mit einer Substanz, die das Team messen möchte – beispielsweise einem potenziellen Krankheits-Biomarker, der im Schweiß vorhanden ist – diese Substanz nicht chemisch verändert . Da das Goldnetz jedoch so fein ist, kann es eine überraschend große Oberfläche für die Bindung dieses Biomarkers bieten, und hier kommen die anderen Komponenten des Sensors ins Spiel.

Wenn ein Laser mit geringer Leistung auf das Goldgitter gerichtet wird, wird ein Teil des Laserlichts absorbiert und ein Teil reflektiert. Von dem reflektierten Licht hat das meiste die gleiche Energie wie das einfallende Licht. Ein Teil des einfallenden Lichts verliert jedoch Energie an den Biomarker oder eine andere messbare Substanz, und die Diskrepanz in der Energie zwischen reflektiertem und einfallendem Licht ist für die betreffende Substanz einzigartig. Ein als Spektrometer bezeichneter Sensor kann diesen einzigartigen Energiefingerabdruck verwenden, um die Substanz zu identifizieren. Diese Methode der chemischen Identifizierung ist als Raman-Spektroskopie bekannt.

„Aktuell müssen unsere Sensoren fein abgestimmt werden, um bestimmte Substanzen nachzuweisen, und wir möchten sowohl die Empfindlichkeit als auch die Spezifität in Zukunft noch weiter steigern“, sagte Assistenzprofessor Tinghui Xiao. „Wir denken, dass damit Anwendungen wie die Glukoseüberwachung, ideal für Diabetiker, oder sogar die Erkennung von Viren möglich sein könnten.“

„Es gibt auch Potenzial für den Sensor, neben der Raman-Spektroskopie mit anderen Methoden der chemischen Analyse zu arbeiten, wie z. B. der elektrochemischen Analyse, aber all diese Ideen erfordern viel mehr Untersuchungen“, sagte Professor Keisuke Goda. „Auf jeden Fall hoffe ich, dass diese Forschung zu einer neuen Generation von kostengünstigen Biosensoren führen kann, die die Gesundheitsüberwachung revolutionieren und die finanzielle Belastung des Gesundheitswesens verringern können.“