Hochempfindliche optische Wellenleiter-Sensorplattform für die Multiplexdetektion von biochemischen Analyten

• Antragsteller: Professor Dr. Bernhard Roth
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 493687068

In diesem Forschungsprojekt soll eine neuartige mikro- und nanostrukturierte optische Sensorplattform mit einer hohen Anzahl (> 100) räumlich getrennter Sensorspots (< 100 µm) erforscht werden, wodurch eine hochsensitive und -spezifische Detektion vieler Biomarker simultan aus einer minimalen Menge an Probenlösung realisiert wird. Das Projekt adressiert damit den großen Bedarf an integrierten, robusten und gleichzeitig empfindlichen Sensorkonzepten zur Multiplex-Erfassung unterschiedlicher Substanzen in Umwelt, Technik, Lebenswissenschaften und Medizin und soll eine leistungsfähige Alternative verglichen mit herkömmlichen Ansätzen erarbeiten. Der vorgeschlagene Lösungsansatz kombiniert 3D Druck von polymer-optischen Mikro- und Nanostrukturen als Basis der Plattform mit optischer Frequenzbereichs-Reflektometrie (engl. OFDR) für die hochsensitive und schnelle Signalauswertung. Dazu soll in die Sensorplattform eingekoppeltes Licht an maßgeschneiderten mikro- und nanostrukturierten Wellenleiterelementen (Bragg-Strukturen als Sensorspots) reflektiert und mittels kohärenter Detektion nachgewiesen werden. Da Amplituden und Phasen der Teilreflexionen von der umgebenden Brechzahl am Ort der Reflexion abhängen, kann das Brechzahlprofil entlang der optischen Wellenleiterstrukturen mit hoher räumlicher Auflösung bestimmt werden. Für den hochspezifischen Nachweis unterschiedlicher Zielanalyte wird eine Funktionalisierung mit räumlich getrennten Biorezeptoren realisiert. Die durch Bindungsereignisse induzierten lokalen Brechzahländerungen, die zu räumlich codierten Amplituden- und Phasenänderungen führen, werden durch einen zu entwickelnden Signalverarbeitungsalgorithmus decodiert, so dass die parallele Detektion einer Vielzahl von unterschiedlichen Substanzen und somit eine hoch-parallelisierte Biosensorik ermöglicht werden. Zum einen sollen dazu (i) eine hohe räumliche Auflösung der Plattform und damit Multiplexing sowie (ii) eine hohe Empfindlichkeit durch präzise hergestellte mikro- und nanooptische Strukturen und OFDR-Einheit demonstriert werden, zum anderen soll (iii) eine hohe Spezifität durch geeignete Funktionalisierungskonzepte erreicht werden.Die zentralen wissenschaftlichen Herausforderungen der hier beantragten Förderphase (36 Monate) sind: (i) die Modellierung und Herstellung der mikro- und nanooptischen Polymer-Wellenleiterstrukturen, (ii) die Erforschung und Realisierung der OFDR-Einheit und des Auswertealgorithmus sowie (iii) der Funktionsnachweis als hochsensitive und -selektive Biosensorplattform mit Hilfe eines Maus-IgG/Anti-Maus-IgG-Modellsystems und erster einfacher Mikrofluidik (Zielparameter: siehe Arbeitsprogramm). In einer möglichen zweiten Förderphase sollen die integrierte Mikrofluidik und Miniaturisierung des Systems hin zu einer mobilen Plattform und die Weiterentwicklung der Herstellung hin zu hochdurchsatz-kompatibler Fertigung adressiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Nano-Plotter
• Gerätegruppe: 1060 Dilutoren, Pipettiergeräte, Probennehmer