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Smart, kompakt und vielseitig: „Biosensoren“ sollen patientennahe Diagnostik erleichtern

15.12.2015

Mit rund 500 000 Euro fördert die Baden-Württemberg Stiftung ein interdisziplinäres Projekt der Universität Ulm zur Entwicklung von „Biosensoren“. Diese smarten und kompakten „Mini-Labore“ sollen Blutproben bereits im Körper analysieren und so beispielsweise bei Eisenspeichererkrankungen effektiv die Therapie unterstützen. Die halbleiterbasierten Sensorsysteme kommen ohne elektrische Kontakte aus und werden rein optisch ausgelesen, können also auch in aggressiver chemischer Umgebung bestehen. Innerhalb der nächsten drei Jahre erforscht ein interdisziplinäres Team aus Ingenieuren und Naturwissenschaftlern, wie sich solche Miniatur-Labore technisch realisieren lassen.

Bislang werden Blutproben – nach einem spürbaren Nadelstich in die Vene – zumeist im Labor analysiert. Wäre es nicht praktischer, ein im Körper implantierter Mini-Sensor könnte die Blutwerte messen und per Funk direkt an den Arzt übermitteln?


Messaufbau zur Aufnahme von Emissionsspektren von mikroskopischen Halbleitersensorstrukturen

Foto: Heiko Grandel

Für Patienten, die beispielsweise regelmäßig ihre Eisenwerte kontrollieren müssen, wäre solch ein smartes und kompaktes Miniaturlabor im Blut sicherlich sehr nützlich. Dass dies technisch möglich ist, glaubt auch die Baden-Württemberg Stiftung, die ein Wissenschaftlerteam der Universität Ulm mit rund 500 000 Euro unterstützt. Das Ziel: die Entwicklung halbleiterbasierter „Biosensoren“. Bewilligt wurde das interdisziplinäre Projekt im Rahmen der Ausschreibung „Photonik, Mikroelektronik, Informationstechnik: Intelligente optische Sensorik“.

Die Ingenieure und Naturwissenschaftler arbeiten in den nächsten drei Jahren an der Entwicklung optisch auslesbarer intelligenter Sensoren, die mit Halbleiter-Strukturen auf der Basis von Galliumnitrid (GaN) und Zinkoxid (ZnO) realisiert werden sollen.

„Ein großer Vorteil solcher Sensoren besteht darin, dass sie ohne elektrische Kontakte auskommen und daher auch in einer chemisch aggressiven Umgebung verwendet werden können“, erklärt Projektkoordinator Professor Ferdinand Scholz vom Institut für Optoelektronik. Die Biosensoren könnten im Körperinneren zu Diagnosezwecken eingesetzt werden, beispielsweise um in Eisenspeicher- und Eisentransportproteinen die Art und Menge der Metall-Kationen zu bestimmen.

„Mit Hilfe solcher Biosensoren sollte es beispielsweise möglich sein, Eisenspeichererkrankungen frühzeitig zu erkennen und effektiv zu therapieren. Aber auch bei der Früherkennung von weiteren schweren Krankheiten, wie der Alzheimererkrankung oder bei Schlaganfällen könnten die Biosensoren hilfreiche Dienste leisten, denn auch bei diesen Erkrankungen wurden bereits veränderte Metallkationenkonzentrationen im Blut gefunden“, sagt Professorin Tanja Weil, die an der Uni Ulm das Institut für Organische Chemie III leitet. Die Chemikerin ist im Projekt für die Funktionalisierung der Sensoroberflächen mit spezifischen Detektormolekülen verantwortlich, um nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip bestimmte Proteine oder DNA-Bestandteile nachweisen zu können.

Der Biosensor basiert auf so genannten nitridischen und oxidischen Halbleiter-Nanostrukturen, die rein optisch angeregt und ausgelesen werden. Durch die Bindung spezifischer Biomoleküle auf der aktiven Zone dieser Nanostrukturen verändern sich Wellenlänge und Intensität der Laser-angeregten Lichtemission. Als optisch aktive Zone für diese Photolumineszenz-Effekte wirkt ein Quantenfilm nahe der Oberfläche der Halbleiter-Strukturen.

Ausgelesen werden die Veränderungen in den Lichtemissionen über kompakte Spektrometer, die im ultravioletten und im sichtbaren Spektralbereich ausreichend empfindlich sind. Ein kompakter Einplatinencomputer, beispielsweise ein Raspberry-Pi, übernimmt im Sensor-Modul die Steuerung der optoelektronischen Komponenten, die spektrale Messung sowie die Erfassung und Auswertung der Daten. Durch die Integration eines WiFi-Moduls, einer Art Funksender im Kleinstformat, soll das Sensor-Modul drahtlos mit einem Server kommunizieren, um über diesen komplexere Analysen durchzuführen und um dort Messdaten zentral zu speichern.

Mit Hilfe intelligenter Software und der Möglichkeit, Referenzproben parallel auszulesen, könnte sich der Detektor-Array automatisch kalibrieren und „scharf stellen“. Die hierfür erforderliche intelligente Elektronik entwickelt die Arbeitsgruppe von Professor Klaus Thonke, Leiter der Gruppe Halbleiterphysik am Institut für Quantenmaterie.

„Für diese smarten, kompakten und vernetzten Biosensor-Module gibt es vielfältigste Anwendungsfelder in der Medizin, der Pharmazie und der Biotechnologie“, sind sich die Wissenschaftler einig. Die Flexibilität und Multifunktionalität des Messsystems sowie seine hohe Sensitivität und Selektivität machen es zu einem idealen Diagnoseinstrument in der personalisierten Medizin und der patientennahen Labordiagnostik. Bis dieser Hochleistungs-Biosensor im Miniaturformat den Beweis für seine Praxistauglichkeit antreten kann, werden allerdings noch zahlreiche Experimente und Untersuchungen notwendig sein.

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Ferdinand Scholz; Tel.: 0731 / 50 – 26052; E-Mail: ferdinand.scholz@uni-ulm.de;

Mit dem Forschungsprogramm „Photonik, Mikroelektronik, Informationstechnik“ möchte die Baden-Württemberg Stiftung die Vernetzung der optischen Technologien mit Lösungen aus Mikroelektronik und Informationstechnik voran bringen. Das Ziel der jüngsten Ausschreibung ist die interdisziplinäre Entwicklung intelligenter optischer Sensoriken mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten – von der Medizintechnik bis hin zu industriellen Fertigungssystemen. Die zehn Forschungsprojekte, die in den kommenden Wochen starten, werden von Photonics BW e.V. betreut, dem Innovationsnetz Optische Technologien in Baden-Württemberg. www.bwstiftung.de

Andrea Weber-Tuckermann | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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