Lehrstuhl für Integrierte Systeme und Photonik

Biosensorik

Der Nachweis von biologischen Materialien, wie z.B. Biomarkern oder Krankheitserreger in einer Blutprobe, ist von großer Bedeutung für unser Gesundheitssystem. Heutige Nachweismethoden basieren auf stationären Laborgeräten und können nur von qualifiziertem Personal bedient werden. Eine weitverbreitete Methode, um Konzentrationen von biologischen Materialien in einem Analyten zu bestimmen, ist z. B. der ELISA-Test (enzyme-linked immunosorbent assay). Dieser beinhaltet mehrere chemische Schritte mit einer abschließenden photometrischen Messung von eingebrachten Marker-Molekülen. Aktuell werden Biosensoren auf Basis immobilisierter biologischer Rezeptoren entwickelt, die eine hochselektive Messung von biologischen, biomedizinischen oder chemischen Substanzen bei gleichzeitig wesentlich kompakteren, mobilen Geräten ermöglichen.

Eine der wichtigsten Eigenschaften von Biosensoren ist ihr Potenzial für die markerfreie Detektion. Die Sensoroberfläche selbst übernimmt dabei die Rolle des Markers und ermöglicht eine direkte Detektion des biologischen Materials. Somit ist eine schnellere, einfachere und physiologischere Messung möglich. Eine weitere Eigenschaft von Biosensoren ist ihre Einsatzmöglichkeit für molekulare Bindungskinetik-Versuche in Echtzeit, welche wichtige Fragestellungen für die Medikamentenentwicklung beantwortet.

Wir erforschen Biosensoren, die eine periodisch nanostrukturierte Sensoroberfläche (Photonischer Kristall) nutzen. Quasi-geführte Moden in diesen Strukturen ermöglichen eine kontaktfreie und empfindliche Messung. Wir haben demonstriert, dass durch die Kombination von Lichtquelle, Polarisationsfiltern und Photonischem Kristall eine einfache Intensitätsmessung eine Echtzeit-Konzentrationsbestimmung ermöglicht. In einer Versuchsreihe konnten wir die Bindungskinetik von einer 2,5 nMol Streptavidinlösung zu Biotin mit einem kompakten Prototypen bestimmen (Abb. 1).

Abbildung 1:
Abbildung 1: Prototyp eines Biosensors mit nanostrukturierter Sensoroberfläche. Messung der Echtzeit-Bindungskinetik von Streptavidin an Biotin.

Dieses Konzept haben wir weiterentwickelt zu einer multiparametrischen, markerfreien Proteinmessung mit einem miniaturisierten Messsystem, das eine Kamera zur Detektion nutzt (Abb. 2).

Abbildung 2:
Abbildung 2: Schema eines Kamerasystems zur markerfreien, multiparametrischen Detektion verschiedener Proteine.
Abbildung 3:
Abbildung 3: Foto des Kamerasystems.

Ein weiteres aktuelles Projekt ist die Entwicklung eines Augeninnendrucksensors, der mit einer Intraokularlinse integriert wird. Heutzutage bekommen viele Menschen im Laufe ihres Lebens Intraokularlinsen eingesetzt. Diese könnten mit zusätzlicher Funktionalität ausgestattet werden. Wir haben einen (noch nicht miniaturisierten) Prototypen für einen Augeninnendrucksensor entwickelt. Dieser basiert auf einer nanostrukturierten Membran, die eine Referenzdruckkammer abschließt und deren Verformung optisch und kontaktlos von außen ausgelesen werden kann.

Abbildung 4:
Abbildung 4: Schema einer Intraokularlinse mit Messbereich für den Augeninnendruck. Eine nanostrukturierte Membran über dem Messkammer wird je nach Druck verformt. Die Auswertung der Membranwölbung erfolgt kontaktlos durch ein Kamerasystem von außen.

Ausgewählte Publikationen

Y. Nazirizadeh, V. Behrends, A. Prósz, N. Orgovan, R. Horvath, A. M. Ferrie, Y. Fang, C. Selhuber-Unkel & M. Gerken. "Intensity interrogation near cutoff resonance for label-free cellular profiling", Scientific Reports, Vol. 6, p. 24685 (2016).
Link: »https://dx.doi.org/10.1038/srep24685

S. Jahns, M. Bräu, B.-O. Meyer, T. Karrock, S. B. Gutekunst, L. Blohm, C. Selhuber-Unkel, R. Buhmann, Y. Nazirizadeh, and M. Gerken, "Handheld imaging photonic crystal biosensor for multiplexed, label-free protein detection", Biomed. Opt. Express, vol. 6, no. 10, p. 3724, (2015). 
Link: »https://dx.doi.org/10.1364/BOE.6.003724

Karrock, T., & Gerken, M., "Pressure sensor based on flexible photonic crystal membrane", Biomedical optics express, 6(12), 4901-4911 (2015).
Link: »https://doi.org/10.1364/BOE.6.004901