Superkjapp koronatest med ny teknologi
Gullpartiklers evne til å reflektere lys i ulike farger brukes i alt fra glassmalerier til graviditetstester. Nå vil forskere utnytte de samme egenskapene i en ultrarask sensor for koronavirus.
Vi har gjort det nesten alle sammen, en eller flere ganger de siste par årene: Fått stukket vattpinner opp i nesa og ned i halsen for å bekrefte eller avkrefte om vi er smittet av koronavirus.
Metodene som har vært brukt for å detektere og slik hindre spredning av viruset, har vært de samme over hele verden.
- Enten den dyre, tidkrevende men svært nøyaktige PCR-metoden der man påviser virusets DNA i slimhinnene våre.
- Eller den enklere og raskere metoden der man kun påviser om vi har utviklet antistoffer mot viruset.
Ultrarask påvisning
Begge metodene har imidlertid sine svakheter. PCR-metoden er kostbar og tidkrevende, mens antistoffmetoden ikke sier noe om vi faktisk har virus i kroppen. Det er derfor ønskelig med en enkel og rimelig måte å påvise viruset på, der man kan få svaret raskt.
Amir Maghoul. Foto: Privat
Nå har forskere fra NTNU, Oslomet og Universitetet i Tabriz påvist en fremgangsmåte for å detektere koronavirus i blodprøver ved hjelp av nanosensorer.
– Mye forskning fokuserer på å finne metoder for raskt å kunne isolere smittede personer. På den måten kan bryte smittekjeden brytes. Nanosensorer har fått mye oppmerksomhet på grunn av de unike egenskapene de har for ultrarask å påvise partikler som virus. Dette forteller forsker og førsteforfatter bak artikkelen «An Optical Modeling Framework for Coronavirus Detection Using Graphene-Based Nanosensor», Amir Maghoul. Han var post.doc-stipendiat ved NTNU da han startet arbeidet.
Et første skritt på veien for å utvikle en egen nanosensor for koronavirus er å finne de optiske egenskapene hvor koronaviruset skiller seg fra andre partikler i blodet vårt.
Ingve Simonsen, professor i fysikk ved NTNU, forklarer:
De fleste har sett koronaviruset fremstilt som en rund kjerne eller ball med røde «spikes» eller stilker som stikker ut.
– Vi ønsket å se hvilken rolle lengden og størrelsen på disse «spikene» spiller for hvordan cellene reflekterer lyset, samt om størrelsen på kjernen har noe å si, sier Simonsen.
Forskyver resonansen
For å finne ut dette brukte forskerne matematiske modeller. Virusets optiske oppførsel – altså hvordan viruscellen reflekterer lys i form av resonans – ble simulert og analysert over hele lysspekteret.
Nanomaterialet grafén tas i bruk i den nye koronatestmetoden.
– Vi så at reflektiviteten varierte med lengen på spikeproteinene. Når spikene blir lengre går reflektiviteten ned samtidig som resonansen forskyves til høyere bølgelengder, sier Simonsen.
Ingve Simonsen
Det samme så man når man i modellene endret størrelsen på kjernen av viruset. Samtidig hadde bredden på spikeproteinet mindre å si for hvordan lyset ble reflektert. På denne måten kunne forskerne lete seg fram til hvilken del av bølgelengdespekteret hvor koronaviruset skiller seg fra andre partikler i blodet.
– På bestemte bølgelengder får vi ulik optisk respons avhengig av om vi har virus til stede eller ikke. Dette kan vi si er koronavirusets optiske signatur.
– Samtidig vet vi at optiske egenskaper hos partikler endrer seg avhengig av omgivelsene. De oppfører seg forskjellig om de ligger i vann eller om de er i vakuum. Om det er flere partikler ved siden av hverandre eller om overflaten er dekket med et tynt lag av et annet stoff, forklarer Simonsen.
Eksempel graviditetstest
Den første til å beskrive generelt hvordan kuleformede partikler reflekterer lysbølger var den tyske forskeren Gustav Mie i 1908.
– At vanlig lys består av et spekter av bølgelengder, er velkjent, det er dette vi ser når vi ser på regnbuen, eller når lys går gjennom et glassprisme. Lyset treffer vannmolekyler i atmosfæren eller prismet og reflekteres i lysets ulike bølgelengder, som vi ser som et spekter av farger, sier Simonsen.
Gustav Mie viste hvordan små sfærer/kjerner reagerer forskjellig på lys.
– For eksempel har små metallpartikler en veldig sterk optisk respons. Dette benyttes blant annet i enkelte typer graviditetstester, hvor man utnytter den optiske responsen til små gullpartikler.
– Det hormonet man ser etter i urinen, det som du kun har hvis du er gravid, samler seg på overflaten til gullpartiklene i testpinnen og endrer resonansfrekvensen til partikkelen. Resultatet er en fargeendring til blått som viser at du er gravid, forklarer Simonsen.
Små metallpartikler har en veldig sterk optisk respons. Dette benyttes blant annet i glassmalerier og enkelte typer graviditetstester. Foto: Terje Rakka/ Nordic Life
Eksempel rosemaleri
Et annet eksempel på hvordan små partikler reagerer på lys ser man i glassmalerier, som det store rosevinduet i Nidarosdomen. De sterke fargene i rødt, blått og grønt er alle resultat av den optiske responsen til metallpartiklene som er brukt i glasset. Og det er denne egenskapen som kan utnyttes til å detektere koronavirus i blodprøver.
– Det man gjør er at man legger et nettverk av tynne, sylinderformede gullpartikler over et veldig tynt lag av grafén. Grafén er et nanomateriale med mange fascinerende egenskaper, blant annet leder det strøm godt og med lite tap.
Når blod med koronavirus passerer over gullpartiklene, vil resonansfrekvensen til partiklene endres, som igjen skaper et elektromagnetisk felt. Dette feltet setter opp en strøm i sensoren som lett kan måles.
Ved å studere strømkurvene for enkelte frekvensområder av det innkommende lyset, kan man avgjøre om blodet inneholder koronavirus eller ikke, sier Simonsen.
Stort potensial for nanoteknologi
Slike nanosensorer vil kunne bli svært følsomme. Nanodisken med det «smarte» materialet grafén fungerer som en forsterker, forklarer Amir Maghoul.
– Nanoteknologi har ikke vært brukt tidligere for denne typen sensorer, så dette er utvikling av ny teknologi. Det vi har gjort her er å lage det første optiske rammeverket for å detektere koronavirus og vise hvordan viruset oppfører seg i det optiske spekteret.
Nå er neste skritt å etablere et selskap som kan utvikle en laboratorieprototype for nanosensoren.
– Vi må få skaffet penger til veie slik at vi kan gå videre og utvikle en sensor som kan bli vanlig i bruk. Samarbeidet mellom NTNU og Oslomet har vist at vi har fasiliteter med et betydelig potensial for å utvikle og produsere denne typen nanosensorer for biomedisinsk bruk om arbeidet blir støttet finansielt, sier Maghoul.
Referanse:
Amir Maghoul, Ingve Simonsen mfl.: An Optical Modeling Framework for Coronavirus Detection Using Graphene-Based Nanosensor. National Library of Medicine
DOI: 10.3390/nano12162868
