Die Sensor Gruppe von Rainer Hainberger, Senior Scientist in der Competence Unit Molecular Diagnostics des AIT Center for Health and Bioresources, hat ein Laserdioden gepumptes Lab-on-a-Chip Konzept entwickelt, das in der Lage ist, Biomoleküle in Flüssigkeit kostengünstig und ohne zusätzliche Marker zu detektieren. Das Messverfahren kann verwendet werden, um diverse Flüssigkeiten bei medizinischen oder Umwelttests auf bestimmte molekulare Biomarker zu überprüfen.
Medizinische Behandlungsentscheidungen beruhen auf Erkenntnissen, die häufig durch Laboruntersuchungen von biomedizinischen Proben - Flüssigkeiten oder Gewebe - gewonnen werden. Idealerweise sollte eine Analysemethode in der Lage sein, niedrige Analytkonzentrationen in kleinen Probenmengen schnell, kostengünstig und einfach nachzuweisen.
Bei der Messung durch Interferometrie mittels integriert-optischer Wellenleiter wird die Änderung der optischen Weglänge quantifiziert und für biochemische Nachweise in biologischen Proben genutzt, die in der Regel optisch transparent sind. Dabei wird Licht durch einen optischen Wellenleiter gesendet, der in direktem Kontakt zur Probenflüssigkeit steht, und die Lichtleistung auf der anderen Seite aufgenommen, analysiert und interpretiert. Ausschlaggebend ist hier auch die präzise Ausrichtung des Laserstrahls auf den Wellenleitereingang zur Einkopplung des Lichts. Dies führte in bisher verwendeten Messkonfigurationen immer wieder zu Problemen, nicht aber bei der von AIT umgesetzten Lösung, bei der eine schmalbandige Laserlichtquelle direkt auf dem Chip realisiert wird. Das Ergebnis ist ein einfach herstellbares und einfach anwendbares Messverfahren, das in Zukunft auch in jeder Hausarztpraxis angewandt werden könnte, um in kurzer Zeit Ergebnisse direkt vor Ort zu erhalten.
Wie sieht die Lösung genau aus?
Die Funktionsweise von interferometrischen integriert-optischen Wellenleiterbiosensoren beruht darauf, die Ausgangsintensität des Lichts zu überwachen, die infolge der Brechungsindexänderung in der unmittelbaren Umgebung der Wellenleiteroberfläche mit der spezifischen Anlagerung von Zielanalytmolekülen in einem Interferometerarm in direktem Zusammenhang steht.
Auf der Basis früherer Arbeiten integrierte das AIT Team einen organischen Monomoden-Festkörperlaser in einem integriert photonischen Sensorchip mit Siliziumdioxid/Siliziumnitrid-Wellenleitern und verwendete eine kostengünstige, fehlertolerante Laserdiode als Pumplichtquelle. Mit Hilfe einer mikrofluidischen Vorrichtung ist das Laserdioden gepumpte Lab-on-a-Chip-Design in der Lage, Analytkonzentrationen von weniger als einem Mikrogramm pro Milliliter zu messen. Mit dem an ein Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) gekoppelten Laserausgang bietet das Gerät eine hohe Empfindlichkeit und einfache Handhabung, was die Tür für künftige klinische Anwendungen öffnet. "Unser multidisziplinäres Team war erfreut zu sehen, dass die theoretische Arbeit, die Designbemühungen und die Materialentwicklung zu einem echten biofunktionalisierten Gerät führten, das wie vorhergesagt funktioniert", sagt Florian Vogelbacher, ein Mitglied des AIT-Teams.
Rainer Hainberger weist darauf hin, dass die nächsten Schritte die Optimierung des Laserresonators umfassen werden, um die Laserschwelle weiter zu senken und das Ausbleichen des Farbstoffs zu verringern. "Nachdem wir nun eine kosteneffiziente Lösung zur Erzeugung von kohärentem Licht auf einer integrierten photonischen Sensorplattform demonstriert haben, glauben wir, dass integrierte photonische Messkonzepte für reale Biosensoranwendungen attraktiver sein werden", sagt er.
Hier wird das Messverfahren genau beschrieben: https://www.laserfocusworld.com/science-research/article/14235293/optically-pumped-singlemode-laser-enables-integrated-device-biosensor
Das Paper: Florian Vogelbacher, Tim Kothe, Paul Muellner, Eva Melnik, Martin Sagmeister, Jochen Kraft, Rainer Hainberger, „Waveguide Mach-Zehnder biosensor with laser diode pumped integrated single-mode silicon nitride organic hybrid solid-state laser,“
Biosensors and Bioelectronics, Volume 197, 2022, 113816, DOI: 10.1016/j.bios.2021.113816