JENA / LONDON (IT BOLTWISE) – Jenaer Forschende haben eine SERS-Sensoroberfläche entwickelt, die Wirkstoffe im Blutplasma deutlich empfindlicher und zugleich über Monate stabil nachweisen kann. Anstelle der klassischen Problemstelle „silberne Instabilität“ setzen sie auf chemisch gezielt stabilisierte, stark verzweigte Silberstrukturen. Die Studie kombiniert Raman-Spektroskopie mit einer einfachen Vorbehandlung und testet die Methode an fünf Medikamenten in Wasser und Blutplasma. Damit rückt lichtbasierte, potenziell patientennahe Medikamentenüberwachung näher an die klinische Praxis heran.
Wenn die richtige Wirkstoffkonzentration im Blut nicht getroffen wird, kann selbst eine korrekt dosierte Therapie in die falsche Richtung kippen. Das gilt besonders bei Intensivmedizin, in der Onkologie oder bei schweren Infektionen, wo sich Konzentrationen zwischen gleich dosierten Patientinnen und Patienten teils stark unterscheiden. Üblicherweise helfen Laborverfahren wie LC-MS oder immunbasierte Tests, doch sie sind zeitintensiv, benötigen Spezialgeräte und binden qualifiziertes Personal. Forschende aus Jena gehen deshalb einen anderen Weg: Sie entwickeln lichtbasierte Sensoroberflächen, die Medikamente in komplexen Medien wie Blutplasma nachweisen, ohne dass man dafür tagelange Laborabläufe braucht.
Im Zentrum steht eine Raman-basierte Messstrategie, genauer die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS). Bei klassischem Raman trifft Laserlicht auf die Probe und liefert anhand charakteristischer Spektralmuster Rückschlüsse auf Moleküle. In Blutplasma sind die Signale der relevanten Wirkstoffe aber oft zu schwach, weil Proteine, Salze und andere Bestandteile die Messung überlagern. SERS löst dieses Signalproblem, indem winzige Metallstrukturen das Raman-Licht lokal verstärken. Entscheidend ist dann, wie gut diese Strukturen an realistischen Bedingungen standhalten – genau hier liegt der historische Knackpunkt bei silberbasierten SERS-Substraten, denn Silber verändert sich an der Luft und verliert damit über Zeit an Leistungsfähigkeit.
Das neue Ergebnis adressiert diese Stabilitätslücke über die Materialchemie der Sensoroberfläche. Das Leibniz-Institut für Photonische Technologien in Jena lässt dafür auf einem Trägermaterial stark verzweigte Silberstrukturen wachsen – im Mikroskop erinnern sie an kleine Bäumchen. Die vielen Äste schaffen zahlreiche „Hotspots“, also Bereiche, in denen die Licht-Molekül-Wechselwirkung stark ist. Der entscheidende Zusatz ist dabei Sulfat: Sulfat-Ionen unterstützen das Wachstum der Dendriten und schützen gleichzeitig die Oberfläche vor Oxidation. In der Studie zeigen die Forschenden, dass die Sensoroberflächen unter normalen Lagerbedingungen mindestens sieben Monate messfähig bleiben und reproduzierbare SERS-Signale liefern.
Die Validierung beschränkt sich nicht auf den bloßen „Mess-Workflow“, sondern stützt sich auch auf hochauflösende Materialanalyse. Unter anderem nutzen die Forschenden hochauflösende Röntgen-Photoelektronenspektroskopie an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II im Helmholtz-Zentrum Berlin, um die Zusammensetzung und Stabilitätswirkung der Sulfat-gestützten Oberflächenchemie zu belegen. Damit verknüpfen sie technische Anforderungen, die in der Diagnostik oft gegeneinander laufen: hohe Verstärkung für niedrige Nachweisgrenzen auf der einen Seite und Langzeitstabilität für reproduzierbare Ergebnisse auf der anderen. Für Unternehmen ist das relevant, weil „Labor-perfekt“ im Betrieb nur dann Wirkung entfaltet, wenn Chargen, Lagerung und Messroutine zusammenpassen.
Beim Marktvergleich wird der Unterschied besonders klar: Therapeutic Drug Monitoring (TDM) wird derzeit stark von etablierten Plattformen getragen, etwa durch Laborchemie mit Massenspektrometrie oder durch automatisierte immunologische Systeme. Auch wenn SERS grundsätzlich eine Alternative sein kann, ist die Konkurrenz in der Praxis nicht nur technologisch, sondern prozessual: Kliniken bevorzugen robuste, standardisierte Messabläufe, klare Kalibrationen und nachvollziehbare Messunsicherheiten. Die Jenaer Studie adressiert deshalb explizit die Messumgebung: Sie untersucht fünf Medikamente, darunter Wirkstoffe aus der Krebsmedizin sowie ein Antibiotikum, zuerst in Wasser und anschließend in menschlichem Blutplasma. Trotz der Komplexität gelingt der Nachweis mit einer einfachen Vorbehandlung der Probe.
Damit entsteht ein realistischer Pfad in Richtung Point-of-Care-Anwendung. Zwar ist die Studie noch nicht als vollständiges klinisches Produkt beschrieben, aber sie liefert Bausteine, die in einem tragbaren Raman-Setup funktionieren könnten: stabile Substrate, reproduzierbare Spektren und ein Ansatz, der sich mit einem vereinfachten Probenhandling verbinden lässt. Ein technischer Vergleich zeigt, warum das zählt: Während klassische Laborverfahren oft eine aufwendige Probenvorbereitung und lange Messzeiten erfordern, könnte SERS – bei entsprechender Automatisierung – schneller Ergebnisse liefern und dadurch therapeutische Entscheidungen in laufenden Behandlungsphasen beschleunigen. Für die Weiterentwicklung ist außerdem wichtig, dass nicht nur die Empfindlichkeit zählt, sondern auch, wie gut die Auswertung in echten Blutmatrizen bleibt.
Die Forschenden selbst betonen den entscheidenden Unterschied zwischen maximaler Empfindlichkeit im Labor und Zuverlässigkeit unter Alltagsbedingungen. Aradhana Dwivedi fasst zusammen: „Silber ist für SERS sehr leistungsfähig, aber seine geringe Stabilität war lange ein Hindernis für praktische Anwendungen.“ Vladimir Sivakov beschreibt den Material-Fokus: „Mit unserem Ansatz konnten wir zeigen, dass sich hochverzweigte Silberstrukturen herstellen lassen, die empfindlich messen und zugleich deutlich robuster bleiben.“ Und Dana Cialla-May ergänzt die Perspektive auf den Klinikbetrieb: „Für die Anwendung zählt nicht nur, wie empfindlich eine Oberfläche im Labor ist. Entscheidend ist, ob sie auch in komplexen Proben verlässliche Signale liefert und sich in realistische Abläufe integrieren lässt.“ Solche Aussagen sind für Entscheider deshalb bedeutsam, weil sie typische Risiken bei der Einführung neuer Diagnostik adressieren.
Der nächste Schritt hängt damit weniger an der Physik der Raman-Verstärkung als an Skalierung, Standardisierung und Einbettung in klinische Workflows. Die Forschenden nennen als Herausforderungen die Vereinfachung der Probenaufbereitung, die verlässliche Herstellbarkeit der Sensoroberflächen in skalierter Qualität sowie standardisierte Geräte- und Auswertemethoden, die eine sichere Interpretation der Spektren ermöglichen. Besonders spannend ist die mögliche Kombination mit kompakten Raman-Systemen: Am Standort wird bereits an laserbasierten Schnelltests gearbeitet, die Krankheitserreger und passendes Antibiotikum aus einer einzigen Probe ermitteln sollen. Überträgt man das Konzept auf TDM, könnte die Sulfat-gestützte SERS-Oberfläche eine stabile Messkomponente in einem zukünftig automatisierten Point-of-Care-Prozess werden. Langfristig entscheidet dann, wie schnell sich solche Sensoren gegen etablierte Laborverfahren in Zeit, Genauigkeit, Kosten pro Test und Ergebnisrobustheit durchsetzen.
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