PORTFOLIO

In diesem Projekt wird eine neue ultrasensitive optische Plattform zum Nachweis von Krankheitserregern und Stoffwechselprodukten in der klinischen Diagnostik entwickelt. Das Herzstück dieser Plattform bildet ein Hybridsystem bestehend aus Gradienten-Optiken und optischen Mikroresonatoren. Der Nachweis nutzt ein optisches Phänomen, das durch deren Kombination entsteht. Gradienten-Optiken eignen sich hervorragend zur Miniaturisierung von optischen Aufbauten, da die Linsenwirkung durch eine kontinuierliche Veränderung der Brechzahl hervorgerufen wird und nicht durch die Form der Oberflächen wie bei konventionellen Optiken. Damit können deutlich aufwendigere Laboraufbauten miniaturisiert und durch günstige mobile Geräte ersetzt werden, die in der patientennahen Diagnostik (point-of-care diagostics) und E-Health Anwendungen eingesetzt werden können.

Die Entwicklung innovativer, patientennaher Diagnostiksysteme aus der Kombination optischer Mikroresonatoren mit GRIN-Linsen. Mit diesem Ansatz können komplexe und kostenintensive optische Laboraufbauten vereinfacht und ersetzt werden. Durch die Kombination dieser Techniken wird ein neuartiges kostengünstiges optisches Detektionssystem realisiert, das zum Nachweis von Biomarkern oder Krankheitserregern in der patientennahen Betreuung eingesetzt werden kann.

In der ersten Projektphase wurde das Design eines Laborprototyps erstellt, optimiert und aufgebaut. Erste Messungen wurden an einem Aufbau mit konventionellen Linsen durchgeführt und eine Auswertesoftware dafür entwickelt und erfolgreich getestet. Im Anschluss daran wurden Anpassungen vorgenommen, um den Algorithmus auch für Aufbauten mit plattenförmigen GRIN-Linsen einsetzen zu können und biologisch unterschiedlich funktionalisierte Bereiche auswerten zu können.

In der zweiten Projektphase wurde das Auswerteverfahren mittels künstlich erzeugter Stufe in einer der Spiegelflächen erfolgreich getestet. Die plattenförmigen GRIN-Linsen wurden nach Tests durch eine kompakte konventionelle Optik besserer Abbildungsqualität ersetzt. Für die Resonatorspiegel wurden chemisch stabile dielektrisch spiegelnde Flächen verwendet. Durch den Zylinderspiegel wurde ein biologisch sensitiver Sensor mit eingebauter Referenzierung ermöglicht. Ein Proof of Concept-Versuch mit bioaktivierten Messstellen war erfolgreich und durch den Umbau des Laboraufbaus auf preisgünstige Komponenten (Webcam und einfacher Halbleiterlaser) konnten die Kosten für ein Gerät stark gesenkt werden. Die Sensitivität erreicht jedoch nicht die Werte schon in der Praxis bestehender Biosensoren. Da eine Sensitivitätssteigerung um mehrere Grössenordnungen nicht realistisch ist, wurde auf die Entwicklung eines transportablen Prototyps verzichtet und das Projekt im vorliegenden Zustand beendet.

Die Forschungsgruppe erlangte trotzdem wertvolle Kenntnisse aus dem Projekt: So konnte sie sich im Bereich der Auswertung von Interferenzen wesentlich weiterentwickeln. Die Erfahrungen mit günstigen Komponenten werden in zukünftige studentische Arbeiten einfliessen, in welchen die Realisierung von Low-Cost-Lösungen bei der Geräteentwicklung oft thematisch eingebunden wird. Zudem ist es denkbar die in diesem Projekt entwickelten Methoden auf die Bestimmung der Dicke von transparenten Schichten im industriellen Umfeld anzuwenden - das Potential für eine Umsetzung wird geprüft. Aus den Erkenntnissen des Projektes werden ein bis zwei Publikationen zur Messmethode angestrebt.

M. Metzger, A. Konrad, T. Menold, H. Go, A. Horrer, S. Rau, G. Gauglitz, M. Fleischer, D. Kern, D. Zhang, A.J. Modler & M. Brecht, “Optischer Sensor für raumaufgelöste Echtzeit-messungen des Brechungsindex in Flüssigkeiten, Photonik, 2014, 1, 40-43;
A. Konrad, AM. Kern, M. Brecht, AJ. Meixner: Strong and Coherent Coupling of a Plasmonic Nanoparticle to a Subwavelength Fabry–Pérot Resonator, Nano Letters, 2015, 15,4423–4428;
AM. Kern, D. Zhang, M. Brecht, A. Chizhik, A. Virgilio Failla, F. Wackenhut, AJ. Meixner: Enhanced single-molecule spectroscopy in highly confined optical fields: From /2- Fabry-Perot resonators to plasmonic nano-antennas, Chemical Society Reviews, 2014, 43, 1263-1286