PlanOS-SFB Teilprojekt C05

Die Analytik in den Lebenswissenschaften macht sich in erheblichem Maße optische Verfahren zunutze. Der Einsatzbereich optischer Sensorik könnte noch erheblich erweitert und vor allem flexibilisiert werden, wenn eine Sensorfolie mit integrierter Analytik zur Verfügung stünde. So müssen bisher zu analysierende Proben in speziell auf das jeweilige Analyseverfahren angepassten Probeaufnahmen hergestellt oder darin umgefüllt werden. Mit einer flexiblen Sensorfolie können hingegen die Auslesesysteme an die Probenbehälter angepasst werden. Damit erschließen sich neue Anwendungsgebiete für etablierte Analyseverfahren. Probenbehälter (Lab-on-a-chip, Kapillarsysteme, aber auch größere Reservoirs) und Sensorik können durch den integrativen Ansatz besser aufeinander angepasst und abgestimmt werden. Gelingt langfristig eine vollständige Integration inklusive optischer Anregungsquelle und Detektionseinheit, bilden die zu entwickelnden Konzepte sogar eine Basis für kostengünstige Alternativen zu Standardgeräten (z. B. Mikrotiterplatten mit integriertem Readout). Einsatzmöglichkeiten für die Folien reichen von einer ständigen Überwachung von Zellkulturen im Brutschrank, wo Gewebekulturflaschen, Petrischalen und Multiwellplates direkt mit Sensorfolien ausgestattet werden können über high-content Screening kleinster Blutmengen bis zur Prozessüberwachung in der Lebensmittelindustrie.

Ziel des Teilprojektes ist es also, ausgewählte optische Standardanalytik aus den Lebenswissenschaften auf planare Polymerstrukturen zu transferieren, um daraus langfristig neue oder erweiterte Einsatzmöglichkeiten zu eröffnen, kostengünstige und benutzerfreundliche integrierte Systeme zu entwickeln und die Grundlage für die Entwicklung neuer Messsysteme zu legen.

Im Rahmen dieses Teilprojekts sollen daher für den Bereich der Lebenswissenschaften polymerbasierte Sensoren entwickelt werden, die optische bzw. spektroskopische Analytik direkt in fluidischen Systemen ermöglichen. Ziel im ersten Förderabschnitt ist die Entwicklung eines Sensors, mit dem geringste Analytkonzentrationen (Fernziel Einzelmolekülsensitivität) nachgewiesen werden können. Funktionsprinzip des Sensors sind Flüstergalerie- bzw. whispering-gallery-Resonanzen in Mikrokugeln. Resonanzfrequenzen und Güte der Mikrokugelresonatoren reagieren hochsensitiv auf im evaneszenten Feld der Kugel befindliche Moleküle. Die Umsetzung des Sensorkonzepts erfolgt in Teilschritten, wobei jeder Teilschritt so gestaltet ist, dass er bereits die Grundlage für einfachere polymerbasierte optische Sensoren bildet: eine planare Probenaufnahme für spektralphotometrische Messungen und einen Refraktionsindexsensor. In flächigen optischen Netzwerken angeordnet soll am Ende Ortsauflösung und high-content screening demonstriert werden.

Zur Herstellung der Strukturen werden Technologien aus verschiedenen anderen Teilprojekten eingesetzt – schwerpunktmäßig Heißprägen für Probenkavitäten und oberflächliche Multimode-Wellenleiter sowie direktes Schreiben von Wellenleitern ins Medium mit Hilfe von fs-Laserpulsen. Die Entwicklung brechzahlangepasster Polymere wird der Sensorentwicklung ebenfalls schon in der ersten Förderperiode zugutekommen. Der Schwerpunkt liegt zunächst auf der Entwicklung, Simulation und Umsetzung der Sensorkonzepte im Polymer. Für vergleichende Untersuchungen bzw. bis die notwendigen Herstellungstechnologien für Polymere zuverlässig zur Verfügung stehen, wird auf Glassubstrate zurückgegriffen. Externe Lichtquellen und Detektoren sollen entsprechend der Entwicklung in den Partnerprojekten sukzessive integriert werden.