DE102020115972A1 - Virus-Sensor zum Detektieren von Viren in einem Fluid und Virus-Detektor mit einem solchen Virus-Sensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Virus-Sensor (12) zum Detektieren von Viren in einem Fluid, mit (a) einem optischen Wellenlängenfilter (26), das beim Einkoppeln von Mess-Laserlicht (18) Signal-Laserlicht (22) abgibt, und (b) einer Beschichtung (40) auf dem Wellenlängenfilter (26), die (i) eine optionale Bindeschicht (44) und (ii) eine Virusantigen-Schicht (42), die Virus-Antigene zum Binden des Virus aufweist, und (c) wobei das optische Wellenlängenfilter (26) und die Beschichtung (40) so aufgebaut sind, dass beim Einkoppeln des Mess-Laserlichts (18) in das Wellenlängenfilter (26) sich ein evaneszentes Lichtfeld (34) in die Virusantigen-Schicht erstreckt.

Description

• Die COVID19-Epedimie hat gezeigt, dass die Ausbreitung von Virus-Erkrankungen primär dadurch behindert werden kann, dass infizierte Personen erkannt und isoliert werden. Um dies zu erreichen, müssen Personen möglichst schnell und mit einer möglichst geringen Unsicherheit darauf getestet werden können, ob sie mit dem Virus infiziert sind oder nicht.
• Überwiegend werden dazu Tests verwendet, bei denen Körperflüssigkeiten oder Abstriche entnommen werden. Je nach Anforderung an die Selektivität und die tolerierbare Messunsicherheit werden genetische Informationen des Virus selbst oder Antikörper, die vom Körper gegen das Virus gebildet werden, detektiert. Nachteilig an derartigen Tests ist, dass diese eine vergleichsweise lange Auswertezeit benötigen.
• Es ist wünschenswert, Viren in einem Fluid möglichst schnell nachzuweisen. Dabei kann durchaus eine höhere Messunsicherheit toleriert werden, wenn die Messzeit hinreichend kurz ist. In anderen Worten ist eine höhere Rate an Fehlern erster Art oder Fehlern zweiter Art tolerabel, wenn die Messzeit drastisch verkürzt werden kann. Insbesondere kann ein Fehler zweiter Art (falsch positives Ergebnis) eher toleriert werden als Fehler erster Art (falsch negatives Ergebnis). Der Grund dafür ist, dass für jede Person, die in einem Schnelltest viruspositiv getestet wurde, ein weiterer Test mit einer geringeren Messunsicherheit aber einer längeren Messzeit durchgeführt werden kann. Ein Schnelltest mit einem geringen Fehler erster Art und einem nicht tolerabel großen Fehler zweiter Art kann daher beispielsweise verwendet werden, um Sicherungsmaßnahmen bei negativ getesteten Personen auszusetzen. Beispielsweise ist es denkbar, negativ getesteten Personen den Zutritt in Flugzeuge zu gestatten, ohne dass im Flugzeug ein Sicherheitsabstand zwischen Personen eingehalten werden müsste.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schnellerkennung von Viren in einem Fluid zu verbessern.
• Die Erfindung löst das Problem durch einen Virus-Sensor zum Detektieren von Viren in einem Fluid, mit (a) einem optischen Wellenlängenfilter, das beim Einkoppeln von Mess-Laserlicht Signal-Laserlicht abgibt, und (b) einer Beschichtung auf dem Wellenlängenfilter, die eine optionale Bindeschicht enthalten kann und eine Virusantigen-Schicht, die Virus-Antigene zum Binden des Virus aufweist, besitzt, wobei (c) das optische Wellenlängenfilter und die Beschichtung so aufgebaut sind, dass beim Einkoppeln des Mess-Laserlichts in das Wellenlängenfilter sich ein evaneszentes Lichtfeld ausbildet, das sich in die Virusantigen-Schicht erstreckt.
• Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein Verfahren zum Detektieren von Viren in einem Fluid, insbesondere in Atemluft, mit den Schritten: (i) Leiten des Fluids über die Virusantigen-Schicht eines erfindungsgemäßen Virus-Sensors, (ii) Berechnen eines Detektionsparameters, der eine Abweichung des Signal-Spektrums von einem Virus-Spektrum kodiert, das entsteht, wenn Viren an die Virus-Antigene binden, und vorzugsweise Ausgeben des Detektionsparameters.
• Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass oft kurze Messzeiten, von beispielsweise unter fünf Minuten, insbesondere unter einer Minute, erreichbar sind. Ein erfindungsgemäßer Virus-Sensor ist daher für Massentests geeignet. Ein Vorteil der erreichbaren geringen Messzeit ist zudem, dass eine positiv getestete Person sofort isoliert werden kann, sodass die Wahrscheinlichkeit weiterer Ansteckungen gering ist.
• Vorteilhaft an der Erfindung ist zudem, dass der Virus-Sensor grundsätzlich vergleichsweise einfach aufgebaut sein kann und daher meist relativ schnell zu fertigen ist.
• Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Fluid eine Flüssigkeit oder ein Gas verstanden. Unter einem Gas werden auch Aerosole und Gemische aus mehreren Gasen verstanden. Gase können zudem partikelhaltig sein.
• Unter dem optischen Wellenlängenfilter wird insbesondere ein Bauteil verstanden, das Licht bestimmter Wellenlängen selektiv reflektiert und/oder transmittiert.
• Unter einem optischen Wellenlängenfilter wird insbesondere eine Lichtleitfaser verstanden, die ein Faser-Bragg-Gitter aufweist. Das optische Wellenlängenfilter kann zudem ein Ringresonator oder ein Zeilen-Wellenleiter-Gitter (englisch: arrayed-waveguide grating) sein.
• Unter der Beschichtung wird insbesondere ein dünner Film verstanden, der auf dem Wellenlängenfilter angeordnet ist. Es ist möglich und vorteilhaft, dass die Beschichtung eine örtlich wenig schwankende, insbesondere um höchstens um 50 % schwankende, Schichtdicke aufweist, das ist aber nicht nötig.
• Unter einem Virus-Antigen wird eine Substanz verstanden, an die Viren einer bestimmten Art, beispielsweise COVID19-Viren, binden, andere Viren, Bakterien oder Partikel jedoch nicht oder mit deutlich geringerer Wahrscheinlichkeit.
• Die Virusantigen-Schicht ist insbesondere so aufgebaut, dass Viren in dem Fluid an die Virus-Antigene binden können, sofern sie zu den Ziel-Viren des entsprechenden Virus-Antigens gehören. Ziel-Viren sind solche Viren, die an das Virus-Antigen binden.
• Unter dem Merkmal, dass sich beim Einkoppeln des Mess-Laserlichts in das Wellenlängenfilter ein evaneszentes Lichtfeld in die Virusantigen-Schicht erstreckt, wird insbesondere verstanden, dass die Lichtintensität des evaneszenten Lichtfelds in der Virusantigen-Schicht so hoch ist, dass ein Andocken von Ziel-Viren an die Virus-Antigene zu einer detektierbaren Frequenzverschiebung derjenigen Frequenzen führt, die vom Wellenlängenfilter reflektiert oder transmittiert werden. Das evaneszente Lichtfeld fällt exponentiell mit dem Quadrat des Abstands vom Wellenlängenfilter ab. In anderen Worten wird das evaneszente Feld im streng mathematischen Sinne niemals null, egal wie groß der Abstand vom Wellenlängenfilter ist. Relevant ist aber, dass das evaneszente Lichtfeld in der Virusantigen-Schicht eine so hohe Intensität hat, dass eine Änderung der Beladung der Virus-Antigene in der Virusantigen-Schicht mit Ziel-Viren zu einer messbaren Änderung der Reflexions- oder Transmissionseigenschaften des Wellenlängenfilters führt. Je dünner die Bindeschicht und die Virusantigen-Schicht sind, desto größer ist der Anteil des evaneszenten Lichtfelds, der sich in die Virusantigen-Schicht erstreckt.
• Vorzugsweise weist das Wellenlängenfilter eine Lichtleitfaser, die zumindest ein Faser-Bragg-Gitter hat, auf oder ist dadurch gebildet. Eine derartige Lichtleitfaser hat einen Kern und einen Mantel. Ein Kernmaterial, aus dem der Kern aufgebaut ist und ein Mantelmaterial, aus dem der Mantel aufgebaut ist, besitzen Brechungsidices, die so gewählt sind, dass es zur Totalreflexion von Licht führt, das im Kern geleitet wird.
• Je dünner der Mantel ist, umso ausgedehnter ist das evaneszente Feld außerhalb des Mantels. Es ist daher günstig, wenn eine Manteldicke des Mantels höchstens 800 Nanometer, insbesondere höchstens 400 Nanometer, besonders bevorzugt höchstens 200 Nanometer beträgt.
• Vorzugsweise ist das Kernmaterial im Wellenlängenbereich von 400 Nanometer bis 2000 Nanometer transparent. Günstig ist es, wenn eine spezifische Dämpfung in diesem Wellenbereich kleiner ist als 0,05, insbesondere kleiner als 0,025, Dezibel pro Meter.
• Alternativ oder zusätzlich gelten die oben genannten Materialeigenschaften auch für das Mantelmaterial. Das Kernmaterial und das Mantelmaterial ist vorzugsweise Glas und/oder Kunststoff.
• Die Bindeschicht umfasst vorzugsweise drei 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan. Alternativ oder zusätzlich enthält die Bindeschicht vorzugsweise zumindest ein nanokristallines Erdalkalihalogenid, beispielsweise Magnesiumfluorid.
• Günstig ist es, wenn eine Schichtdicke der Beschichtung höchstens 750 Nanometer, insbesondere höchstens 550 Nanometer, beträgt. Auf diese Weise ist der Anteil des evaneszenten Feldes, das sich in die Beschichtung erstreckt, hinreichend groß für ein gut auflösbares Messsignal.
• Günstig ist es, wenn eine Bindeschicht-Schichtdicke der Bindeschicht höchstens 200 Nanometer, insbesondere höchstens 250 Nanometer, beträgt. Je dünner die Bindeschicht ist, umso größer ist die Lichtintensität des evaneszenten Feldes in der Virusantigen-Schicht.
• Günstig ist es, wenn die Bindeschicht-Schichtdicke zumindest 3 Nanometer, insbesondere zumindest 5 Nanometer, beträgt.
• Es hat sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn das Virus-Antigen einen monoklonalen Virus-Antikörper enthält. Dabei handelt es sich beispielsweise um SARS-CoV-2 (COVID-19) & SARS Coronavirus-S-Glycoprotein. Dieser Antikörper bindet an die Aminosäure 315-510 in der S1-Domäne des SARS-CoV Spike-Proteins sowie an das SARS-CoV 2 Spike-Protein.
• Alternativ oder zusätzlich ist es günstig, wenn die Virusantigen-Schicht einen polyklonalen Virus-Antikörper enthält. Dabei kann es sich beispielsweise um den SARS-CoV-2 (COVID-19)-Spike-Antikörper GTX-GTX135356 handeln. Es handelt sich dabei um ein rekombinantes Protein, das eine Sequenz innerhalb der N-Terminus-Region des SARS-CoV 2 Spike-Proteins umfasst. Dieser polyklonale Virus-Antikörper wird von Genetex hergestellt, die exakte Sequenz des Antikörpers ist geheim.
• Günstig ist es, wenn der Virus-Sensor ein zweites Faser-Bragg-Gitter hat, dessen zweiter Gitterabstand sich von einem ersten Gitterabstand des ersten Faser-Bragg-Gitters unterscheidet. Vorteilhaft daran ist, dass die Reflexion und/oder die Transmission bei einer anderen Wellenlänge erfolgt. Die Wechselwirkung der Virusantigen-Schicht mit dem evaneszenten Feld ist daher eine andere. Da ein Faser-Bragg-Gitter stets nur Licht eines engen Wellenlängenbereichs reflektiert, können viele Faser-Bragg-Gitter auf dem gleichen Wellenlängenfilter, insbesondere der gleichen Lichtleitfaser angeordnet sein.
• Besonders günstig ist es, wenn der Virus-Sensor mehrere Faser-Bragg-Gitter aufweist, die sich jeweils in ihren Gitterabständen unterscheiden. Es ist vorteilhaft, wenn die einzelnen Faser-Bragg-Gitter auf jeweils unterschiedlichen Wellenlängen filtern. Es ist zudem möglich, dass der Virus-Sensor zwei, drei oder mehr Wellenlängenfilter, insbesondere Lichtleitfasern, aufweist. Jedes der Wellenlängenfilter, insbesondere jede der Lichtleitfasern, kann ein, zwei, drei oder eine Mehrzahl an Faser-Bragg-Gittern aufweisen. Vorzugsweise weist jede der Lichtleitfasern zumindest 30, insbesondere zumindest 50 Faser-Bragg-Gitter auf. In der Regel ist es günstig, wenn die Zahl der Faser-Bragg-Gitter kleiner ist als 300, insbesondere kleiner als 150.
• Ein erfindungsgemäßer Virus-Detektor besitzt einen erfindungsgemäßen Virus-Sensor sowie eine Laserlichtquelle zum Abgeben von Mess-Laserlicht, die mit dem Virus-Sensor zum Einkoppeln des Laserlichts in das Wellenlängenfilter, insbesondere in die Lichtleitfaser, verbunden ist. Der Virus-Detektor besitzt vorzugsweise zudem ein Spektrometer zum Messen eines Signal-Spektrums von Signal-Laserlicht. Das Signal-Laserlicht ist das Licht, das aus Mess-Laserlicht durch Interaktion mit dem Wellenlängenfilter entstanden ist. Handelt es sich bei dem Wellenlängenfilter um eine Lichtleitfaser, so ist das Mess-Laserlicht vom Faser-Bragg-Gitter reflektiert worden oder hat das Faser-Bragg-Gitter passiert.
• Die Laserlichtquelle hat vorzugsweise ein Lichtquellenspektrum, das eine spektrale Breite hat, die zumindest 100 Pikometer beträgt. Hierunter wird insbesondere verstanden, dass mittels der Laserlichtquelle Laserlicht ausgegeben werden kann, das innerhalb des Lichtwellen-Spektrums liegt. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die entsprechenden Wellenlängen gleichzeitig abgegeben werden.
• Vorzugsweise handelt es sich bei der Lichtquelle um einen durchstimmbaren Laser. Günstig ist es, wenn der durchstimmbare Laser ein durchstimmbarer Diodenlaser ist, derartige Laser sind besonders einfach aufgebaut.
• Vorzugsweise hat der durchstimmbare Laser eine spektrale Breite von höchstens 1 Megahertz, insbesondere höchstens 300 Kilohertz. Derart schmalbandiges Laserlicht führt zu einer hohen Selektivität des Virus-Sensors. Die spektrale Breite wird beispielsweise als Halbwertsbreite im Spektrum des durchstimmbaren Diodenlasers gemessen.
• Vorzugsweise besitzt der Virus-Detektor ein Wellenlängenmessgerät zum Messen einer Wellenlänge des Mess-Laserlichts. Es ist dann möglich, den durchstimmbaren Laser auf eine Soll-Wellenlänge zu regeln oder für die Auswertung die jeweilige Wellenlänge zu verwenden. Das liefert besonders verlässliche Messdaten.
• Vorzugsweise besitzt der Virus-Detektor eine Auswerteeinheit. Diese ist insbesondere ausgebildet zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten (i) Berechnen eines Detektionsparameters, der eine Abweichung des Signal-Spektrums von einem Virus-Spektrum kodiert, wobei das Virus-Spektrum entsteht, wenn Ziel-Viren an die Virus-Antigene gebunden sind. Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit ausgebildet zum automatischen Ausgeben des Detektionsparameters, insbesondere zum zeitabhängigen Ausgeben des Detektionsparameters.
• Der Detektionsparameter kann beispielsweise die quadrierte Differenz zwischen dem Signal-Spektrum und dem Virus-Spektrum sein. Es ist auch möglich, dass diese quadrierte Differenz mit einer Gewichtsfunktion multipliziert wird, mittels der besonders relevante Abweichungen des Signal-Spektrums vom Virus-Spektrum stärker gewichtet werden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Signal-Spektrum fourier-transformiert, sodass Spektralanteile erhalten werden, und danach werden die Spektralanteile auf für die Ziel-Viren signifikante Signalanteile analysiert.
• Das Virus-Spektrum wird beispielsweise dadurch ermittelt, dass mittels des Virus-Sensors ein Fluid untersucht wird, das Ziel-Viren enthält. Das gemessene Signal-Spektrum ist dann das Virus-Spektrum.
• Das erfindungsgemäße Verfahren wird insbesondere unter Verwendung von Atemluft durchgeführt. In diesem Fall besitzt der Virus-Detektor vorzugsweise eine Atemluftöffnung, durch die eine Person, die auf den Virus getestet werden soll, Atemluft einblasen kann.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
• 1a einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Virus-Detektors mit einem erfindungsgemäßen Virus-Sensor,
• 1b ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise des Virus-Detektors gemäß 1a,
• 2a ein Diagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Virus-Detektors und
• 2b ein Diagramm zur Erläuterung der Auswertung der Mess-Signale.
• 1a zeigt ein Schema eines erfindungsgemäßen Virus-Detektors 10 mit einem Virus-Sensor 12 und einer Laserlichtquelle 14. Im vorliegenden Fall ist der Virus-Sensor 12 mittels einer Lichtleitung 16, im vorliegenden Fall in Form einer Glasfaser, mit dem Virus-Sensor 12 verbunden. Auf diese Weise kann Mess-Laserlicht 18 in den Virus-Sensor 12 eingekoppelt werden.
• Der Virus-Detektor 10 umfasst zudem ein Spektrometer 20, mittels dem Mess-Laserlicht 22 spektroskopierbar ist. Das Spektrometer 20 liefert ein Signal-Spektrum des Signal-Laserlichts 22. Beispielweise wird das Signal-Laserlicht 22 mittels eines Strahlteilers 24 ausgekoppelt. In dem in 1a gezeigten Fall ist das Spektrometer 20 zum Messen von Laserlicht angeordnet, das vom Virus-Sensor 12 reflektiert wurde. Als 20' ist eine alternative Anordnung des Spektrometers gezeigt, mit dem transmittiertes Laserlicht vermessen werden kann.
• Im unteren Teilbild ist der Virus-Sensor 12 vergrößert dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der Virus-Sensor 12 ein optisches Wellenlängenfilter 26 besitzt, das im vorliegenden Fall eine Lichtleitfaser 28 aufweist. Die Lichtleitfaser 28 besitzt einen Kern 30 und einen Mantel 32. Ein Kerndurchmesser d₃₀ des Kerns 30 beträgt beispielsweise 8 bis 12 Mikrometer. Eine Manteldicke d32 liegt vorzugsweise zwischen d32 =100 Nanometer und d32 =12500 Nanometer.
• Schematisch eingezeichnet ist eine Lichtverteilung I(r) der Lichtintensität in Abhängigkeit von einem Abstand r von einer Mittellinie M des Kerns 30. Der Kern 30 kann zumindest abschnittsweise als Zylinder betrachtet werden. In diesem Fall entspricht die Mittellinie M der Längsachse dieses gedachten Zylinders. Im Mantel 32 bildet sich ein evaneszentes Lichtfeld 34, wenn das Mess-Laserlicht 18 in den Kern 30 eingekoppelt wird.
• 1a zeigt, dass die Lichtleitfaser 28 ein Faser-Bragg-Gitter 36 aufweist, das aus einer Vielzahl an Gitterlinien 38.i (i = 1, 2, 3, ... N) aufgebaut ist. Die Gesamtzahl der Gitterlinien N beträgt vorzugsweise zumindest 1000. Günstig ist es, wenn N kleiner ist als 100000.
• Der Virus-Sensor 12 besitzt eine Beschichtung 40, die eine Virusantigen-Schicht 42 enthält. Es ist möglich, dass die Beschichtung 40 allein durch die Virusantigen-Schicht 42 gebildet ist. Es ist aber auch möglich, dass die Beschichtung 40 eine Bindeschicht 44 aufweist. Diese Bindeschicht 44 umfasst vorzugsweise ein Silan, beispielsweise 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Bindeschicht 44 nanokristallines Erdalkalihalogenid, beispielsweise Magnesiumfluorid. Dieses wird beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapour depostion, CVD) aufgebracht.
• Die Virusantigen-Schicht 42 umfasst Virus-Antigene, die selektiv an ein Virus binden. Beispielsweise umfassen die Virus-Antigene monoklonale Virus-Antikörper und/oder polyklonale Virus-Antikörper. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die Virusantigen-Schicht 42 den monoklonalen Virus-Antikörper SARS-CoV-2 (COVID-19) & SARS Coronavirus S glycoprotein. Alternativ oder zusätzlich enthält die Virusantigen-Schicht 42 den polyklonalen Virus-Antikörper SARS-CoV-2 (COVID-19)-Spike-Antikörper GTX-GTX135356.
• 1a zeigt, dass das evaneszente Feld 34 sich in die Virusantigen-Schicht 42 erstreckt. Binden Ziel-Viren an die Virus-Antigene, so verändert sich aufgrund der Wechselwirkung zwischen Virus-Antigen und dem Ziel-Virus die chemische Struktur des Virus-Antigens, sodass sich seine Absorptionsstruktur ändert. Da das evaneszente Feld 34 bis in die Virusantigen-Schicht 42 reicht, beeinflusst dies das Signal-Spektrum, das von dem Spektrometer 20 erfasst wird.
• 1b zeigt ein Schema eines Virus-Detektors 10. Die Laserlichtquelle 14 umfasst eine Superlumineszenzdiode und das Spektrometer 20 besitzt mehrere Sensorelemente 43.k (k = 1, 2, ... K), die so angeordnet sind, das sie Wellenlängen benachbart zu Reflexionswellenlängen λ_i von Faser-Bragg-Gittern 36.j (j = 1, 2, ..., J) liegen. Es gilt $${\mathrm{\lambda }}_{\text{i}}={\text{n}}_{\text{eff}}*2{\mathrm{\Lambda }}_{\text{i}}$$

  
• Darin ist neff der effektive Brechungsindex und A die Gitterperiode. Der effektive Brechungsindex neff hängt von der Geometrie (Kern- und Manteldurchmesser) des Wellenleiters, den Brechungsindizes n₁, n₂, n₃ und von den Wellenmoden ab.
• Dockt ein Virus an die Virusantigen-Schicht 42, ändert sich neff und damit die Wellenlänge λ_i. Das führt zu einer Intensitätsänderung an den Sensorelementen 43.k.
• 2a zeigt ein Aufbauschema, bei dem die Laserlichtquelle 14 und das Spektrometer 20 in einer Auswerteeinheit 46 zusammengefasst sind. Die Auswerteeinheit 46 kann zudem eine Recheneinheit 48 aufweisen, die mit dem Spektrometer 20 verbunden ist.
• 2a zeigt, dass der Virus-Detektor 10 zudem ein Wellenlängenmessgerät 50 aufweisen kann, mittels dem eine Wellenlänge λ₁₄ gemessen werden kann, die von der Laserlichtquelle 14 abgegeben wird. Bei der Laserlichtquelle 14 handelt es sich im vorliegenden Fall um einen durchstimmbaren Laser, insbesondere einen durchstimmbaren Diodenlaser. Dieser wird von einer Steuerung 52 angesteuert. Bei der Steuerung 52 kann es sich auch um eine Regelung handeln. In diesem Fall ist die Steuerung 52 mit dem Wellenlängenmessgerät 50 verbunden.
• Das Mess-Laserlicht 18 wird vom Spektrometer 20 empfangen und vermessen. Es sei darauf hingewiesen, dass es möglich, nicht aber notwendig ist, dass das Spektrometer 20 das volle Spektrum des Mess-Laserlichts 18 misst. Es ist insbesondere auch möglich, dass lediglich das Spektrum charakterisierende Intensitäten gemessen werden. So kann es ausreichend sein, dass eine einzelne Lichtintensität bei einer vorgegebenen Wellenlänge ausreicht, um das so weitgehend zu charakterisieren, dass eine Aussage darüber möglich ist, ob Ziel-Viren im Fluid vorhanden sind.
• In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der Virus-Detektor 10 einen optischen Umschalter 54, mittels dem das Licht der Laserlichtquelle 14 auf eine Mehrzahl an Faser-Bragg-Gitter 36. j geleitet werden kann. Die einzelnen Faser-Bragg-Gitter können auf unterschiedlichen Lichtleitfasern 28.j angeordnet sein. In diesem Fall besitzen alle Lichtleitfasern 28.j vorzugsweise eine Beschichtung mit einer Virusantigen-Schicht und einer optionalen Bindeschicht.
• Das Spektrum wird vorzugsweise polarisationsabhängig detektiert. Vorzugsweise werden Wellenlängenänderungen detektiert, die im Bereich von 0,1 Pikometer und 20 Nanometer liegen.
• Bezugszeichenliste

10

Virus-Detektor

12

Virus-Sensor

14

Laserlichtquelle

18

Mess-Laserlicht

20

Spektrometer

22

Signal-Laserlicht

24

Strahlleiter

26

Wellenlängenfilter

28

Lichtleitfaser

30

Kern

32

Mantel

34

evaneszentes Lichtfeld

36

Faser-Bragg-Gitter

38

Gitterlinien

40

Beschichtung

42

Virusantigen-Schicht

44

Bindeschicht

46

Auswerteeinheit

48

Recheneinheit

50

Wellenlängenmessgerät

52

Steuerung

54

optischer Umschalter

d30

Kerndurchmesser

d32

Manteldicke

I

Lichtintensität

neff

effektiver Brechungsindex

r

Abstand

M

Mittellinie

λ14

Wellenlänge der Lichtquelle

Λi

Gitterperiode des i-ten Faser-Bragg-Gitters

i

Laufindex

j

Laufindex

k

Laufindex

Claims (11)

1. Virus-Sensor (12) zum Detektieren von Viren in einem Fluid, mit (a) einem optischen Wellenlängenfilter (26), das beim Einkoppeln von Mess-Laserlicht (18) Signal-Laserlicht (22) abgibt, und (b) einer Beschichtung (40) auf dem Wellenlängenfilter (26), die (i) eine optionale Bindeschicht (44) und (ii) eine Virusantigen-Schicht (42), die Virus-Antigene zum Binden des Virus aufweist, und (c) wobei das optische Wellenlängenfilter (26) und die Beschichtung (40) so aufgebaut sind, dass beim Einkoppeln des Mess-Laserlichts (18) in das Wellenlängenfilter (26) sich ein evaneszentes Lichtfeld (34) in die Virusantigen-Schicht erstreckt.
2. Virus-Sensor (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenlängenfilter (26) eine Lichtleitfaser (28), die zumindest ein Faser-Bragg-Gitter (36) aufweist, aufweist.
3. Virus-Sensor (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Beschichtung (40) eine Schichtdicke hat, die höchstens 750 Nanometer, insbesondere höchstens 550 Nanometer, beträgt und/oder (b) eine Bindeschicht-Schichtdicke der Bindeschicht (44) (i) höchstens 200 Nanometer, insbesondere höchstens 150 Nanometer, beträgt und/oder (ii) zumindest 3 Nanometer, insbesondere zumindest 5 Nanometer, beträgt.
4. Virus-Sensor (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Virus-Antigen monoklonale Virus-Antikörper enthält, insbesondere SARS-CoV-2 (COVID-19) & SARS Coronavirus S glycoprotein [CR3022].
5. Virus-Sensor (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Virusantigen-Schicht einen polyklonalen Virus-Antikörper enthält, insbesondere SARS-CoV-2 (COVID-19) spike antibody GTX-GTX135356.
6. Virus-Sensor (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch (a) ein zweites Faser-Bragg-Gitter (36.2), dessen zweiter Gitterabstand (Λ₂) sich von einem ersten Gitterabstand (Λ₁) des ersten Faser-Bragg-Gitters (36.1) unterscheidet, (b) ein drittes Faser-Bragg-Gitter (36.3), dessen dritter Gitterabstand (Λ₃) sich vom zweiten Gitterabstand (Λ₂)und vom ersten Gitterabstand (Λ₁) unterscheidet, (c) ein viertes Faser-Bragg-Gitter (36.4), dessen vierter Gitterabstand (Λ₄) sich vom dritten Gitterabstand (Λ₃), vom zweiten Gitterabstand (Λ₂)und vom ersten Gitterabstand (Λ₁) unterscheidet.
7. Virus-Detektor (10) mit (a) einem Virus-Sensor (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, (b) einer Laserlichtquelle (14) zum Abgeben von Mess-Laserlicht (18), die mit dem Virus-Sensor (12) zum Einkoppeln des Laserlichts in einer Einkoppelrichtung in das Wellenlängenfilter (26), insbesondere in die Lichtleitfaser (28), verbunden ist, und (c) ein Spektrometer (20) zum Messen eines Signal-Spektrums von Signal-Laserlicht (22), das aus Mess-Laserlicht (18), das - vom Faser-Bragg-Gitter (36) reflektiert wurde oder - Laserlicht, das das Faser-Bragg-Gitter (36) passiert hat, entstanden ist.
8. Virus-Detektor (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (14) (a) einen durchstimmbarer Laser zum Abgeben des Mess-Laserlichts (18) und/oder (b) ein Wellenlängenmessgerät (50) zum Messen einer Wellenlänge des Mess-Laserlichts (18) umfasst.
9. Virus-Detektor (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (14) ein Polarimeter zum Messen einer Polarisation des Signal-Laserlichts (22) umfasst.
10. Virus-Detektor (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (46), die ausgebildet ist zum automatischen Durchführen eines Verfahrens mit den Schritten: (i) Berechnen eines Detektionsparameters, der eine Abweichung des Signal-Spektrums von einem Virus-Spektrum, das entsteht, wenn Viren an die Virus-Antigene binden, kodiert, und (ii) Ausgeben des Detektionsparameters.
11. Verfahren zum Detektieren von Viren in einem Fluid, insbesondere in Atemluft, mit den Schritten: (i) Leiten des Fluids über die Virusantigen-Schicht eines Virus-Sensors (12) eines Virus-Detektors (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, (ii) Berechnen eines Detektionsparameters, der eine Abweichung des Signal-Spektrums von einem Virus-Spektrum, das entsteht, wenn Viren an die Virus-Antigene binden, kodiert, und (iii) Ausgeben des Detektionsparameters. PI/be

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