27.06.2022 - University of Tokyo

Neuartiger tragbarer chemischer Sensor

Chemischer Raman-Sensor aus nudelartigen Goldfäden

Die Forscher haben einen speziellen ultradünnen Sensor aus gesponnenem Gold entwickelt, der direkt auf der Haut angebracht werden kann, ohne sie zu reizen oder zu belasten. Der Sensor kann verschiedene Biomarker oder Substanzen messen, um chemische Analysen am Körper durchzuführen. Er arbeitet mit einer Technik namens Raman-Spektroskopie, bei der das auf den Sensor gerichtete Laserlicht leicht verändert wird, je nachdem, welche Chemikalien sich zu diesem Zeitpunkt auf der Haut befinden. Der Sensor kann so fein eingestellt werden, dass er extrem empfindlich ist, und er ist robust genug für den praktischen Einsatz.

Wearable Technology ist nichts Neues. Vielleicht tragen Sie oder jemand, den Sie kennen, eine Smartwatch. Viele dieser Geräte können bestimmte Gesundheitsdaten wie die Herzfrequenz überwachen, aber sie können derzeit keine chemischen Signaturen messen, die für die medizinische Diagnose nützlich sein könnten. Smartwatches oder speziellere medizinische Überwachungsgeräte sind außerdem relativ sperrig und oft recht kostspielig. Angesichts dieser Unzulänglichkeiten suchte ein Team von Forschern des Fachbereichs Chemie der Universität Tokio nach einer neuen Möglichkeit, verschiedene Gesundheitszustände und Umweltfaktoren auf nichtinvasive und kostengünstige Weise zu erfassen.

"Vor einigen Jahren stieß ich bei einer anderen Forschungsgruppe an der Universität Tokio auf eine faszinierende Methode zur Herstellung robuster, dehnbarer elektronischer Komponenten", so Limei Liu, der zum Zeitpunkt der Studie Gastwissenschaftler war und derzeit an der Universität Yangzhou in China lehrt. "Diese Bauteile werden aus ultrafeinen, mit Gold beschichteten Fäden gesponnen und können problemlos auf der Haut angebracht werden, da Gold in keiner Weise mit der Haut reagiert oder sie reizt. Als Sensoren waren sie jedoch auf die Erkennung von Bewegungen beschränkt, und wir suchten nach etwas, das chemische Signaturen, Biomarker und Medikamente erkennen kann. Wir bauten also auf dieser Idee auf und schufen einen nicht-invasiven Sensor, der unsere Erwartungen übertraf und uns dazu inspirierte, nach Möglichkeiten zu suchen, seine Funktionalität noch weiter zu verbessern."

Hauptbestandteil des Sensors ist das feine Goldnetz, denn Gold ist nicht reaktiv, d. h., wenn es mit einer Substanz in Berührung kommt, die das Team messen möchte - beispielsweise einem potenziellen Krankheits-Biomarker im Schweiß -, verändert es diese Substanz nicht chemisch. Da das Goldgeflecht jedoch so fein ist, kann es dem Biomarker eine überraschend große Oberfläche bieten, an die er sich binden kann, und hier kommen die anderen Komponenten des Sensors ins Spiel. Wenn ein Laser mit geringer Leistung auf das Goldnetz gerichtet wird, wird ein Teil des Laserlichts absorbiert und ein Teil reflektiert. Von dem reflektierten Licht hat der größte Teil 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 einzigartig für die betreffende Substanz. Ein als Spektrometer bezeichneter Sensor kann diesen einzigartigen Energie-Fingerabdruck nutzen, um die Substanz zu identifizieren. Diese Methode der chemischen Identifizierung wird als Raman-Spektroskopie bezeichnet.

"Gegenwärtig müssen unsere Sensoren fein abgestimmt werden, um bestimmte Substanzen zu erkennen, und wir möchten in Zukunft sowohl die Empfindlichkeit als auch die Spezifität noch weiter steigern", so Assistenzprofessor Tinghui Xiao. "Wir denken, dass damit Anwendungen wie die Überwachung des Blutzuckerspiegels, ideal für Diabetiker, oder sogar die Erkennung von Viren möglich sein könnten."

"Neben der Raman-Spektroskopie könnte der Sensor auch mit anderen chemischen Analysemethoden zusammenarbeiten, beispielsweise mit der elektrochemischen Analyse, aber all diese Ideen müssen noch weiter erforscht werden", so 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."

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