01.09.2020 - Texas A&M University

Technologie zur Abnahme von Fingerabdrücken von Drogen und anderen Chemikalien drastisch verkleinert

Winziger photonischer Chip könnte bequem auf die Fingerspitze passen und ist mindestens zehnmal empfindlicher als herkömmliche Raman-Tischgeräte

Wenn neue Infektionskrankheiten entstehen und sich ausbreiten, ist eine der besten Möglichkeiten, neue Krankheitserreger zu bekämpfen, neue Medikamente oder Impfstoffe zu finden. Doch bevor Medikamente als potenzielle Heilmittel eingesetzt werden können, müssen sie unter anderem sorgfältig auf Zusammensetzung, Sicherheit und Reinheit geprüft werden. Daher besteht ein zunehmender Bedarf an Technologien, mit denen chemische Verbindungen schnell und in Echtzeit charakterisiert werden können.

Als Antwort auf dieses unerfüllte Bedürfnis haben Forscher der Texas A&M University jetzt eine neue Technologie erfunden, mit der die für die Raman-Spektroskopie verwendete Apparatur drastisch verkleinert werden kann, eine bekannte Technik, die Licht zur Identifizierung der molekularen Zusammensetzung von Verbindungen verwendet.

"Raman-Benchtop-Aufbauten können je nach der benötigten spektroskopischen Auflösung bis zu einem Meter lang sein", sagte Dr. Pao-Tai Lin, Assistenzprofessor in der Fakultät für Elektrotechnik und Informatik und in der Fakultät für Materialwissenschaften und -technik. "Wir haben ein System entwickelt, das diese sperrigen Tischplatten durch einen winzigen Photonenchip ersetzen kann, der genau auf die Fingerspitze passt", so Dr. Pao-Tai Lin.

Darüber hinaus sagte Lin, dass ihr innovatives photonisches Gerät auch in der Lage ist, chemische Charakterisierung in Echtzeit mit hohem Durchsatz durchzuführen, und dass es trotz seiner Größe mindestens zehnmal empfindlicher ist als herkömmliche Raman-Spektroskopiesysteme auf dem Labortisch.

Die Grundlage der Raman-Spektroskopie ist die Streuung von Licht an Molekülen. Wenn sie von Licht einer bestimmten Frequenz getroffen werden, führen die Moleküle einen Tanz aus, indem sie sich drehen und vibrieren, nachdem sie die Energie des einfallenden Strahls absorbiert haben. Wenn sie ihre überschüssige Energie verlieren, geben die Moleküle ein Licht mit niedrigerer Energie ab, was charakteristisch für ihre Form und Größe ist. Dieses Streulicht, bekannt als Raman-Spektrum, enthält die Fingerabdrücke der Moleküle innerhalb einer Probe.

Typische Tischgeräte für die Raman-Spektroskopie enthalten eine Reihe von optischen Instrumenten, einschließlich Linsen und Gittern, zur Manipulation von Licht. Diese "Freiraum"-Optikkomponenten nehmen viel Platz ein und stellen eine Barriere für viele Anwendungen dar, bei denen chemische Sensoren auf kleinstem Raum oder an schwer zugänglichen Stellen benötigt werden. Außerdem können Tischgeräte für die chemische Echtzeit-Charakterisierung unerschwinglich sein.

Als Alternative zu den traditionellen Labortischsystemen wandten sich Lin und sein Team röhrenartigen Leitungen zu, die als Wellenleiter bezeichnet werden und Licht mit sehr geringem Energieverlust transportieren können. Während viele Materialien zur Herstellung ultradünner Wellenleiter verwendet werden können, wählten die Forscher ein Material namens Aluminiumnitrid, da es ein niedriges Raman-Hintergrundsignal erzeugt und weniger wahrscheinlich ist, dass es das Raman-Signal, das von einer Testprobe von Interesse kommt, stört.

Zur Herstellung des Lichtwellenleiters verwendeten die Forscher eine Technik, die von der Industrie zum Zeichnen von Schaltungsmustern auf Silizium-Wafern verwendet wird. Zunächst schleuderten sie mit ultraviolettem Licht ein lichtempfindliches Material, NR9 genannt, auf eine Oberfläche aus Siliziumdioxid. Dann bombardierten und beschichteten sie mit Hilfe ionisierter Gasmoleküle Aluminiumnitrid entlang des durch das NR9 gebildeten Musters. Schliesslich wuschen sie die Baugruppe mit Aceton ab und hinterliessen einen Aluminium-Wellenleiter mit einem Durchmesser von nur einigen zehn Mikrometern.

Um den optischen Wellenleiter als Raman-Sensor zu testen, transportierte das Forschungsteam einen Laserstrahl durch den Aluminiumnitrid-Wellenleiter und beleuchtete eine Testprobe, die eine Mischung organischer Moleküle enthielt. Bei der Untersuchung des Streulichts stellten die Forscher fest, dass sie anhand der Raman-Spektren jeden Molekültyp innerhalb der Probe erkennen konnten, und zwar mit einer Empfindlichkeit, die mindestens zehnmal höher war als bei herkömmlichen Raman-Tischgeräten.

Lin bemerkte, da ihre optischen Wellenleiter eine sehr feine Breite haben, können viele von ihnen auf einen einzigen photonischen Chip geladen werden. Diese Architektur, sagte er, sei sehr förderlich für die chemische Echtzeit-Sensorik mit hohem Durchsatz, die für die Medikamentenentwicklung benötigt wird.

"Unser Lichtwellenleiter-Design bietet eine neuartige Plattform für die schnelle, zuverlässige und kontinuierliche Überwachung der chemischen Zusammensetzung von Verbindungen. Außerdem können diese Wellenleiter leicht im industriellen Maßstab hergestellt werden, indem die bereits vorhandenen Techniken zur Herstellung von Halbleiterbauelementen genutzt werden", sagte Lin. "Wir glauben, dass diese Technologie einen direkten Nutzen nicht nur für die pharmazeutische Industrie, sondern auch für andere Industriezweige wie die Erdölindustrie hat, wo unsere Sensoren entlang unterirdischer Rohre angebracht werden können, um die Zusammensetzung von Kohlenwasserstoffen zu überwachen.

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