Biosensorik: Krankheiten patientennah, frühzeitig und effizient diagnostizieren
Die frühzeitige und effiziente Diagnose von Krankheiten mit kostengünstiger patientennaher Labordiagnostik wird für die personalisierte Medizin und den öffentlichen Gesundheitsschutz immer wichtiger. Optische Biosensoren auf Basis von Siliziumnitrid (Si3N4)-Wellenleitern sind dabei besonders vielversprechend. Sie können mit sichtbarem Licht betrieben werden, das in wässrigen Lösungen nur sehr schwach absorbiert wird und damit einen hochempfindlichen Nachweis indikativer Biomarker ermöglicht. Eine Herausforderung stellte bislang allerdings die kostengünstige Integration entsprechender Lichtquellen auf dem Siliziumnitrid-Chip dar. Ein Forschungsteam unter Leitung von Christian Koos vom Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) und vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat hierzu ein neues Konzept entwickelt und die Ergebnisse in der Zeitschrift Light: Science & Application vorgestellt.
Die Forscherinnen und Forscher verfolgen dabei einen hybriden Ansatz, bei dem Si3N4-Wellenleiter mit lichtemittierenden organischen Farbstoffen kombiniert werden. Dieses Si3N4-organic hybrid (SiNOH) genannte Konzept ermöglicht es, eine Vielzahl von Biosensoren auf einem Chip mit Licht zu versorgen und die Ausgangssignale mit einer Kamera parallel auszulesen. „Die lichtemittierenden Materialien lassen sich sehr einfach und effizient mit Druckverfahren auf die Wellenleiter-Chips aufbringen“, erläutert Koos, „damit lassen sich SiNOH-Laser sehr preisgünstig in großen Stückzahlen herstellen“. In einem ersten Experiment demonstrierte das Forschungsteam die Tragfähigkeit des Ansatzes durch den Nachweis unterschiedlicher Konzentrationen von Fibrinogen, einem Eiweiß, das eine zentrale Rolle bei der Blutgerinnung spielt.
sf/tsc, 18.05.2021
Vollständige Bildunterschrift:
Integrierter Biosensor mit SiNOH Laserquelle (links) auf dem Chip. Das vereinfachte Schema des Biosensor-Systems in der Mitte zeigt, wie drei unterschiedliche spezifische Zielmoleküle von den entsprechenden Antikörpern an die Oberfläche der Siliziumnitrid-Wellenleiter (rot) gebunden werden. Die integrierten SiNOH-Laser werden mit einer externen Lichtquelle (grün) betrieben. Die Ausgangssignale der Sensoren (gelb) können durch eine Kamera (nicht gezeigt) parallel erfasst werden. (Grafik: Daria Kohler, KIT)