Supersnelle COVID-test maakt gebruik van nieuwe technologie

Wattenstaafjes in onze neus en in onze keel steken om te bevestigen of te ontkennen of we besmet zijn met het coronavirus – bijna allemaal hebben we het de afgelopen jaren meerdere keren gedaan.

De methoden die zijn gebruikt om de verspreiding van het virus op te sporen en te voorkomen, zijn over de hele wereld hetzelfde:

• de dure, tijdrovende maar zeer nauwkeurige PCR-methode waarbij het DNA van het virus wordt gedetecteerd in onze slijmvliezen, of
• de eenvoudigere en snellere methode die alleen aangeeft of we antistoffen hebben ontwikkeld tegen het virus.

Ultrasnelle detectie

Beide methoden hebben echter hun zwakke punten. De PCR-methode is duur en tijdrovend, terwijl de antilichaammethode ons niets zegt over of we het virus daadwerkelijk in het lichaam hebben. Een eenvoudige en betaalbare manier om het virus te detecteren dat snel resultaat geeft, zou daarom nuttig zijn.

Nu hebben onderzoekers van NTNU, Oslomet en de Universiteit van Tabriz in Oost-Azerbeidzjan een methode gedemonstreerd voor het detecteren van coronavirus in bloedmonsters met behulp van nanosensoren.

“Veel onderzoek richt zich op het vinden van methoden om besmette mensen snel te isoleren, wat de infectieketen kan doorbreken. Nanosensoren hebben veel aandacht gekregen vanwege hun unieke eigenschappen voor ultrasnelle detectie van deeltjes zoals virussen”, zegt Amir Maghoul . Hij is een onderzoeker en de eerste auteur van het artikel “An Optical Modelling Framework for Coronavirus Detection Using Graphene-Based Nanosensor.” Hij was een postdoctoraal onderzoeker bij NTNU toen hij aan zijn werk begon.

Een eerste stap op weg naar de ontwikkeling van een aparte nanosensor voor het coronavirus is het identificeren van de optische eigenschappen die het coronavirus onderscheiden van andere deeltjes in ons bloed.

Ingve Simonsen, een natuurkundeprofessor bij NTNU, legt uit. De meeste mensen hebben het coronavirus gezien als een ronde kern of bal met rode “spikes” of stengels die uitsteken. “We wilden zien welke rol de lengte en grootte van deze “spikes” spelen in hoe de cellen licht reflecteren, en of de grootte van de kern ertoe doet”, zegt Simonsen.

Verdringt resonantie

Om antwoorden op hun vragen te vinden, gebruikten de onderzoekers wiskundige modellen. Het optische gedrag van het virus, dat wil zeggen hoe de viruscel licht weerkaatst in de vorm van resonantie, werd gesimuleerd en geanalyseerd over het hele lichtspectrum.

“We hebben waargenomen dat de reflectiviteit varieerde met de lengte van de spike-eiwitten. Naarmate de spikes langer worden, neemt de reflectiviteit af terwijl de resonantie verschuift naar hogere golflengten”, zegt Simonsen.

De onderzoekers observeerden dezelfde reactie toen ze de grootte van de viruskern in de modellen varieerden. De breedte van het spike-eiwit had minder invloed op hoe het licht werd gereflecteerd. Zo konden de onderzoekers achterhalen in welk deel van het golflengtespectrum het coronavirus verschilt van andere deeltjes in het bloed.

“Bij bepaalde golflengten krijgen we een andere optische respons, afhankelijk van of er virussen aanwezig zijn of niet. We noemen dit de optische handtekening van het coronavirus”, zegt Simonsen.

“We weten dat de optische eigenschappen van deeltjes veranderen afhankelijk van hun omgeving. Ze gedragen zich anders als ze zich in water of in een vacuüm bevinden, als meerdere deeltjes naast elkaar staan ​​of als het oppervlak bedekt is met een dunne laag van een andere stof. .”

Zwangerschapstest voorbeeld

De eerste persoon die in algemene termen beschreef hoe bolvormige deeltjes lichtgolven weerkaatsen, was de Duitse wetenschapper Gustav Mie in 1908.

“Het is bekend dat gewoon licht uit een spectrum van golflengten bestaat. Dit is wat we zien als we naar een regenboog kijken of als licht door een glazen prisma gaat. Het licht raakt watermoleculen in de atmosfeer of het prisma en wordt gereflecteerd in de verschillende golflengten van het licht, die we zien als een spectrum van kleuren”, zegt Simonsen.

Mie liet zien hoe kleine bolletjes of kernen anders reageren op licht.

“Kleine metaaldeeltjes hebben bijvoorbeeld een zeer sterke optische respons. Deze eigenschap wordt gebruikt in bepaalde soorten zwangerschapstesten die de optische respons op kleine gouddeeltjes meten”, zegt Simonsen.

“Het hormoon waarnaar je zoekt in de urine – dat je alleen hebt als je zwanger bent – verzamelt zich op het oppervlak van de gouddeeltjes op het teststaafje en verandert de resonantiefrequentie van het deeltje. Het resultaat is een kleurverandering naar blauw, waaruit blijkt dat je zwanger bent.”

Roos schilderij voorbeeld

Een ander voorbeeld van hoe kleine deeltjes reageren op licht is te zien in gebrandschilderd glas, zoals het grote roosvenster in de kathedraal van Nidaros. De sterke rode, blauwe en groene kleuren zijn allemaal het resultaat van de optische respons van de metaaldeeltjes die in het glas zijn gebruikt. En het is deze eigenschap die kan worden gebruikt om coronavirus in bloedmonsters te detecteren.

“Wat je doet, is een netwerk van dunne cilindrische gouddeeltjes over een heel dun laagje grafeen leggen. Grafeen is een nanomateriaal met heel veel fascinerende eigenschappen, waaronder het feit dat het elektriciteit goed en met weinig verlies geleidt.”

Wanneer bloed met het coronavirus over de gouddeeltjes gaat, verandert de resonantiefrequentie van de deeltjes, waardoor een elektromagnetisch veld ontstaat. Dit veld veroorzaakt een stroom in de sensor die gemakkelijk kan worden gemeten.

“Door de huidige curves voor bepaalde frequentiebereiken van het invallende licht te bestuderen, kunnen we bepalen of het bloed al dan niet coronavirus bevat”, zegt Simonsen.

Groot potentieel voor nanotechnologie

Nanosensoren kunnen zeer gevoelig zijn. Het “slimme” grafeenmateriaal in de nanodisk werkt als een versterker, legt Amir Maghoul uit.

“Nanotechnologie is nog niet eerder gebruikt voor dit type sensor, dus deze ontwikkeling is nieuwe technologie. Wat we hier hebben gedaan, is het eerste optische raamwerk creëren om coronavirus te detecteren en te laten zien hoe het virus zich gedraagt ​​in het optische spectrum”, zegt Maghoul .

Nu is de volgende stap het oprichten van een bedrijf dat een laboratoriumprototype voor de nanosensor kan ontwikkelen.

“We moeten geld inzamelen zodat we door kunnen gaan met het ontwikkelen van een sensor voor algemeen gebruik. De samenwerking tussen NTNU en Oslomet heeft aangetoond dat we faciliteiten hebben met een aanzienlijk potentieel om dit type nanosensor voor biomedisch gebruik te ontwikkelen en te produceren als het werk is financieel ondersteund”, zegt Maghoul.