Entwicklung eines kompakten faseroptischen Sensors für biomolekulare Analyten
Biosensoren und bioanalytische Subsysteme (Komponenten), die in der Lage sind, gezielt und schnell Analyten mit hoher Genauigkeit zu detektieren, sind für viele Anwendungsfelder und -aufgaben wie z. B. der medizinischen Diagnostik, der Bioverfahrenstechnik und dem Monitoring von Umwelteinflüssen von großem Interesse. In den letzten Jahren entstand so ein zunehmender Bedarf an tragbaren, integrierten Biosensoren, die auch außerhalb von Labors benutzt werden können. Die Gruppe der Messverfahren, die dicht am Objekt eingesetzt werden können, auch als Point-of-care (POC) Diagnostikverfahren bezeichnet, ist dabei einer der Bereiche mit ständig wachsender Nachfrage. Glasfasern, wie sie in der optischen Nachrichtentechnik verwendet werden, sind aufgrund ihrer geringen Abmaße für die Realisierung eines derartigen Sensorsystems prädestiniert. Sie können leicht in ein biotechno-logisches oder medizinisches Umfeld integriert werden, da sie chemisch und biologisch inert, sowie unempfindlich bzgl. elektromagnetischer Störungen sind.
In Kooperation mit der Professur für Physikalische Chemie, Mess- und Sensortechnik der TU Dresden wird zur Zeit ein neuartiger faseroptischer Sensor entwickelt, in dem langperiodische Faser Bragg-Gitter (LPG) eingesetzt werden sollen. Es handelt sich dabei um periodische Brechzahlprofile, die durch UV-Belichtung in den Kernbereich einer Glasfaser eingeschrieben werden. Das Sensorkonzept basiert auf der Auswertung einer Oberflächenplasmonenresonanz (engl. surface plasmon resonance = SPR), deren großes Potential für die Analyse von biomolekularen Wechselwirkungen in jüngster Zeit hohe Aufmerksamkeit genießt. Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Sensors.
Das LPG dient der bidirektionalen Kopplung zwischen der Kernmode einer Singlemode-Glasfaser und einer geeigneten Mantelmode, durch welche gezielt eine SPR angeregt werden soll. Das Ende der zy-lindrischen Glasfaser wird dazu allseitig mit einer dünnen Goldschicht (~ 50 nm) versehen. In diesem ca. 2 Millimeter langen Bereich ist ein verlustbehaftete SPR – Mode ausbreitungsfähig, die einen ex-ponential abklingenden Teil ihres Feldes an der Metalloberfläche führt. Wird dort eine funktionelle Schicht biomolekularer Sonden (Proteine, Peptide, Enzyme, DNA etc.) aufgebracht, kann die Anbin-dung eines gesuchten biochemischen Analyten ( z.B. Viren und andere pathogene Keime) äußerst se-lektiv und in Echtzeit verfolgt werden.
Da die Stirnfläche der Faser ebenfalls mit der dünnen Metallschicht versehen ist, wird die resultieren-de Änderung der absorbierten optischen Leistung in Reflexion ausgewertet. Durch die Rückkonvertie-rung in die Kernmode kann die auszuwertende optische Leistung über sehr weite Strecken verlustfrei übertragen werden. Es ist so möglich einen extrem kompakten Biosensor zu realisieren, der für in-situ Untersuchungen in minimalen Probenvolumina (< 500 nl) und ohne mikrofluidische Komponenten eingesetzt werden kann.
Am Forschungsvorhaben Beteiligte:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. C. G. Schäffer , Dipl.-Ing. Tobias Schuster
Letzte Änderung: 5. November 2018