Sensortechnik: Dieses Chemielabor passt auf einen Chip

Es gibt viele Bereiche, in denen es wichtig ist, das Verhalten einzelner Moleküle zu verstehen. Vor allem in der Pharmaindustrie spielt das eine große Rolle. Wie wirken sich beispielsweise neue Herstellungsprozesse bei Medikamenten im Detail aus? Wie verändert sich die Konzentration bestimmter Substanzen im zeitlichen Verlauf? Solche Messungen müssen präzise und zuverlässig sein. Gleichzeitig ist es oftmals wichtig, sie im zeitlichen Verlauf zu bestimmen, und das kann zur Herausforderung werden. Denn die Analyse von Flüssigkeiten im Labor ist aufwendig und vielfach zeitintensiv. Das könnte sich jetzt ändern. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Wien haben einen kleinen Chip entwickelt, der eine Flüssigkeiten-Analyse per Infrarot liefert – und zwar in Echtzeit.

Infrarotlicht-Messtechnik auf Sensor untergebracht

Die Basis für diese Technologie ist die Infrarot-Spektroskopie. Sie wird schon länger für Analysen eingesetzt, allerdings meistens für gasförmige Stoffe. Was bisher undenkbar war, ist die Größe des Messgerätes. Die Forschenden haben einen neuartigen Sensor entwickelt, der auf einem etwa fingernagelgroßen Chip untergebracht ist. Dabei ist es den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gelungen, gleich zwei Herausforderungen zu lösen. Neben der extrem kompakten Bauweise erreicht ihr Chip nach Angaben der Forschenden eine hohe Messgenauigkeit, obwohl Flüssigkeiten Infrarotstrahlen grundsätzlich stärker absorbieren. Eine detaillierte Analyse ist mit dieser Technologie entsprechend schwieriger.

Dennoch soll der neue Sensor nach Angaben des Teams sogar noch sensitiver sein als Standard-Messgeräte. Das Institut für Festkörperelektronik und das Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen haben zusammengearbeitet, um den Sensor zu entwickeln.

Robuster Sensor kann direkt in Flüssigkeiten getaucht werden

„Um die Konzentration von Molekülen zu messen, verwenden wir Strahlung im mittleren Infrarotbereich“, sagt Borislav Hinkov vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien, der das Forschungsprojekt leitet. Fachleute kennen das Prinzip: Viele Moleküle absorbieren ganz bestimmte Wellenlängen im Infrarotbereich, während sie andere Wellenlängen durchlassen. Daraus entsteht eine Art Infrarot-Fingerabdruck, der für unterschiedliche Moleküle individuell aufgebaut ist. Das ist die Grundlage für die Messtechnik: Der Sensor ermittelt, welche Wellenlängen wie stark absorbiert werden. Daraus lassen sich Rückschlüsse darauf ziehen, wie hoch die Konzentration bestimmter Moleküle in der jeweiligen Flüssigkeit ist.

Der Chip mit dem Sensor wird für diese Messung direkt in die Flüssigkeit getaucht und soll die Ergebnisse innerhalb von Sekundenbruchteilen liefern, also in Echtzeit. „Wenige Mikroliter Flüssigkeit reichen bei uns für eine Messung aus“, sagt Hinkov. „Man muss also nicht wie bei anderen Technologien eine Probe entnehmen, sie analysieren und dann vielleicht minutenlang auf ein Ergebnis warten. Man sieht exakt, wie sich die Konzentration verändert und in welchem Stadium sich der untersuchte Prozess gerade befindet.“

Sensor erforderte interdisziplinäre Zusammenarbeit

Für diese Entwicklung konnte das Institut für Festkörperelektronik auf jahrelange Erfahrung in der Herstellung von Quantenkaskadenlasern und -Detektoren aufbauen. Diese Bauteile sind ebenfalls winzig und basieren auf Halbleitern. Durch ihre Mikro- und Nanostruktur ist es möglich, dass sie Infrarotstrahlung mit einer genau definierten Wellenlänge aussenden beziehungsweise detektieren.

Quantensprung für Quantensensor: um den Faktor 1.000 leichter

Die ausgesendete Infrarotstrahlung durchdringt die Flüssigkeit und die zurückgeworfene Strahlung wird auf demselben Chip gemessen. In ersten Praxistests hat sich gezeigt, dass dieses Konzept aufgeht. Die Forschenden haben eine Reaktion aus der Biochemie gewählt, um ihr Messgerät auf die Probe zu stellen: Sie haben ein bekanntes Modellprotein erhitzt. Sie wussten im Vorfeld, dass sich dadurch die Form des Proteins verändert. Zunächst ist es Helix-artig aufgewickelt, bei höheren Temperaturen entfaltet es sich zu einer flachen Struktur. Diese geometrische Veränderung führt dazu, dass sich auch die Fähigkeit, Infrarotlicht zu absorbieren, wandelt. Das konnten die Forschenden mit ihrem Sensor problemlos nachvollziehen. Hinkow erklärt den Versuchsaufbau: „Wir wählten also zwei passende Wellenlängen aus und produzierten entsprechende quantenkaskaden-basierte Sensoren, die wir dann in den Chip integrierten.“

Denn das ist der Clou: Die Fachleute könnten die benötigten Wellenlängen anpassen und auf dem Chip eine höhere Zahl unterschiedlicher Quantenkaskaden-Sensoren unterbringen. So können sie die Konzentration verschiedener Moleküle gleichzeitig messen. „Damit eröffnen wir ein neues Feld in der chemischen Analytik: Die Echtzeit-Infrarotspektroskopie in Flüssigkeiten“, sagt Borislav Hinkov.

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