Blaues Leuchten im Chiplabor
Das Thema Lab-on-a-Chip ist groß in Mode - zur Proteinanalyse oder Steuerung chemischer Reaktionen. Die Dresdner Firma nanoparc arbeitet an einem integrierten Chiplabor mit Lichtquelle und Detektor.
Zu den Modethemen, die in diesen Tagen neben der Nanotechnologie und dem Quantencomputer in Forschungsanträgen auftauchen, gehört das Lab-on-a-Chip. Dazu zählen Chips mit Vertiefungen und Kanälen, in denen sich Flüssigkeiten im Nanoliter-Bereich analysieren und mischen lassen, etwa zur Proteinanalyse oder zur Steuerung chemischer Reaktionen.
Die Dresdner Firma nanoparc, hervorgegangen aus dem Forschungszentrum Rossendorf, will mit derartigen Mikrolabors nicht nur Forschungsgelder einwerben, sondern auch Geld verdienen. Ihr Vorzeigeprodukt: Ein tellergroßer Siliziumwafer, auf dem sich blau leuchtende Lichtemitter aneinander reihen. Vor einigen Jahren war es den Dresdner Forschern erstmals gelungen, blaues Licht aus einer Silizium-Struktur hervorzulocken, ohne andere Halbleiter zu verwenden. Das spart teure Prozessschritte. Jetzt ist ein integriertes Chiplabor mit Lichtquelle und Detektor in Vorbereitung.
Ein lithografisch strukturierter Lichtemitter auf Silizium-Basis. Die Linienbreite beträgt 100 μm. (Quelle: nanoparc)
Für die Leuchten wird der Siliziumwafer zunächst mit einer Oxidschicht versehen. Anschließend beschießt man die Oberfläche an jenen Stellen, die später Licht emittieren sollen, beispielsweise mit Kohlenstoff- oder Germaniumionen. Durch diese Ionenimplantation entstehen molekülartige Defekte im SiO 2 und lokale Si-O-Si-Strukturen. Legt man eine Spannung an den Wafer an, können Ladungsträger diese Lumineszenzzentren anregen. Beim Übergang in den Grundzustand senden sie blau-violettes Licht aus. Mit diesem Verfahren stellt nanoparc Siliziumwafer mit mehreren Dutzend blau leuchtenden Lichtemittern her, die sich einzeln ansteuern lassen.
Für die Bioanalytik beschichtet man die Leuchtflächen (Durchmesser etwa 300 μm) mit einem Enzym. Die zu untersuchende Probeflüssigkeit wird hinzu gegeben und bleibt an den Enzymen haften. Das blaue Licht regt Fluoreszenzmarker, mit denen die Probeflüssigkeit zuvor markiert wurde, zum Leuchten an. Auf diese Weise werden zum Beispiel Proteinsequenzen erkannt. Um den Prozess zu automatisieren, müssen auf dem Chip nicht nur Lichtemitter, sondern auch Photodetektoren integriert werden. Thoralf Gebel und seine Kollegen von nanoparc haben auf der Hannovermesse auch den Prototyp eines solchen Optokopplers vorgestellt, der ebenfalls auf Silizium basiert. Als nächstes sollen Leuchtzentren und Lichtsensoren auf einem Chip integriert werden. Dazwischen ein Kanal für die Flüssigkeit – und fertig ist das Chiplabor.
Max Rauner
Quelle: Physik Journal, Juni 2003, S. 15
