Forschung am mst

Biosensor

Innerhalb dieses Projekts soll ein modularer lumineszenz Biosensor entworfen und realisiert werden, mit dessen Hilfe Fluide verschiedenster Art auf ihre Zusammensetzung und Eigenschaften hin untersucht werden können.

Projektstatus: aktuell

Das in diesem Projekt zu erforschende System, welches bereits durch die Antragsteller zum Patent eingereicht wurde, besteht aus drei Baugruppen: Der Beleuchtung durch eine breitbandige Lichtquelle mit kollimiertem Licht, einem Lab-on-a-Chip (kurz: (LoC)) bestehend aus einem fluidischen System mit einem integrierten Sensorchip  und dem Detektor für das Fluoreszenzsignal.

Prinzipieller Aufbau des modularen lumineszenz Biosensors. (c)
Prinzipieller Aufbau des modularen lumineszenz Biosensors.

Das LoC mit fluidischem Teil und Sensorchip ist als Einmalartikel vorgesehen.  In späteren Anwendungen kann das LoC alle für eine Analyse notwendigen Komponenten, wie zum Beispiel den Aufschluss von Zellen, Reinigungsschritte oder PCR-Kammern, enthalten. In diesem Projekt werden jedoch ausschließlich die optischen Eigenschaften der Sensorbereiche  betrachtet. Weitere Komponenten eines LoC sind nicht Gegenstand dieses Projektes.

Die Beleuchtung und der Detektor sind im Gegensatz zum LoC keine Wegwerfteile. Der Detektor ist ein monochromatischer CCD-Chip mit einer integrierten Optik zur Abbildung der Sensorbereiche auf den CCD-Sensor. Die Anpassungen an die unterschiedlichen Analysen erfolgen ausschließlich in den einzelnen Sensorbereichen auf dem Sensorchip. Die Beleuchtung und der Detektor bleiben dabei unverändert.

Eine einfache breitbandige Lichtquelle ist ausreichend. Es werden keine zusätzlichen Filter, die bestimmte Wellenlängen ausblenden, benötigt. Der Aufbau der Filterschicht  übernimmt diese Funktion. Das Licht zur Anregung der Fluorophore wird in der Filterschicht verstärkt.

Durch die Metalschicht am Boden der Kavitäten, in denen die Sensoren sitzen, wird nur die Fluoreszenzemission weitergeleitet.  Folglich werden Filter auf der Detektor-Seite überflüssig. Ein einfacher monochromatischer Detektor reicht aus.

Der Aufbau der Filterschicht aus strukturiertem Metall erlaubt eine Verstärkung der Fluoreszenz durch „metall enhanced fluorescence“ (MEF). Das ermöglicht Verstärkungsfaktoren von mehreren Größenordnungen.

Aufgrund der  Verstärkung der Fluoroeszenzsignale mittels MEF  kann die Fläche der einzelnen Sensoren verkleinert werden. Dies ermöglicht die Unterbringung und parallele Auswertung mehrerer Sensoren auf einem Chip.

Die oben genannten Effekte, der Verstärkung und Filterung, wirken nur in einem engen Bereich von ca. 5 – 200 nm der Oberfläche. Die Signale von Molekülen außerhalb dieses Bereiches werden unterdrückt und tragen damit nicht zum Signalhintergrund bei. Das heißt, Waschschritte können verkürzt oder eingespart werden.

Klassische Verfahren benötigen für Analysen derzeit mehrere Prozessschritte und einen hohen technischen Aufwand. Dies erfordert viel Zeit und ist teuer. Deshalb werden diese Untersuchung meist in zentralen spezialisierten Laboren durchgeführt.

Bei Eingangstests in Krankenhäusern, wie sie in Holland zur Identifizierung multiresistenter Keime angewendet werden, ist dies aber ein großer Nachteil. Auch Diagnosen beim Hausarzt könnten damit verbessert werden, weil die Zeit für das versenden der Proben entfällt.

Hier kann das beschriebene System seine Vorteile durch den einfachen Aufbau und die günstige Herstellung ausspielen.

Eine weitere Anwendung ist die Nutzung schwacher Fluorophore, wie zum Beispiel Aminosäuren, deren Signal mit dem neuen System verstärkt wird, als Signalquellen. Diese erreichen mit den etablierten Methoden nicht die benötigte Signalintensität, die für eine Auswertung der Tests benötigt wird. Ein möglicher Verzicht auf zusätzlich Signalmoleküle kann die Prozedur weiter vereinfachen.

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