27.03.2018

Echtheitstest per Laser

Unterscheidung von Medikament und Plagiat durch Rückstreu­spektro­skopie mit Quanten­kaskaden­laser.

Stellen sie sich vor, sie halten zwei Medikamente in Händen. Eines von beiden ist ein Plagiat, das andere ist das Original. Beide sind optisch identisch. Lassen sich die beiden Präparate trotzdem unterscheiden? Die Antwort lautet: Ja. Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg arbeiten Experten an einem Quanten­kaskaden­laser (QCL), der Medikamente in Bruch­teilen einer Sekunde exakt identifizieren kann.

Abb.: Miniaturisierter, breitbandig spektral abstimm­barer Quanten­kaskaden­laser mit Emissions­wellen­längen im mittleren Infrarot-Bereich und hoher Scan­frequenz bis zu einem Kilohertz (Bild: Fh.-IAF)

Die Technologie hinter der Innovation ist die Rückstreu­spektro­skopie. Sie macht sich zunutze, dass jede chemische Substanz einen individuellen Anteil infra­roten Lichts absorbiert. „Bestrahlen wir eine Substanz mit einer entsprechenden Lichtquelle, erhalten wir eine für den Stoff charakteristische Rück­streuung“, schildert Ralf Osten­dorf, Leiter des Geschäfts­felds „Halb­leiter­laser“ am Fraunhofer IAF. Besonders gut eignet sich der Bereich des mittleren Infrarot­spektrums (MIR), um Stoffe und Substanzen zweifels­frei zu identifizieren. Das Licht hat hier eine Wellen­länge von drei bis zwölf Mikro­metern. Moleküle weisen in diesem Spektral­bereich ein charakteristisches Absorptions­verhalten auf, was das QCL-Mess­system hervor­ragend nachweisen kann.

Der QCL kann in wenigen Millisekunden gezielt auf einzelne Absorptions­linien inner­halb eines sehr breiten Spektral­bands ein­gestellt werden, was bedeutet, dass sich in kürzester Zeit sehr viele Informationen zum Absorptions­verhalten einer Substanz ermitteln lassen. „Mit Hilfe der hohen spektralen Brillanz des Lasers und der schnellen Wellen­längen­abstimmung sind rasch sehr exakte Rück­schlüsse möglich – ähnlich eines menschlichen Finger­abdrucks“, erklärt Osten­dorf. Der entwickelte QCL schafft es somit, selbst kleinste Mengen einer bestimmten Substanz in Echt­zeit nachzuweisen, was eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu bisherigen Systemen darstellt.

Die präzisen Quantenkaskaden­laser entwickeln Forscher des Fraunhofer IAF gemeinsam mit Kollegen des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikro­systeme IPMS in Dresden. Das Fraunhofer IAF arbeitet dabei an der Weiter­entwicklung der Laser­chips, das Fraunhofer IPMS ist für das miniaturisierte optische Beugungs­gitter der Laser verantwortlich. Durch die Drehung dieses Gitters lässt sich die Wellen­länge beim „Beleuchten“ der Substanzen kontinuierlich abstimmen.

Derzeit macht das Projekt-Team die Laser fit für den Einsatz in der Pharma­branche: Im Labor haben die Forscher mit ihrer Methode bereits zuverlässig die Wirk­stoffe von Alltags­pillen für Kopfschmerzen und Fieber ermittelt. In Zukunft soll die Technologie in der Massen­produktion von Arznei­mitteln als Echtzeit­kontrolle eingesetzt werden. Schon im Produktions­prozess sollen sich Präparate aussortieren lassen. „Es lassen sich nicht nur rasch fehler­hafte Margen aussortieren, sondern auch Medikamenten­plagiate zuverlässig aufspüren. Die aufwändige und teure händische Kontrolle im Labor wäre obsolet“, fasst Osten­dorf den Mehr­wert zusammen.

Die Ursprünge des Verfahrens liegen in dem Bereich der Sicherheits­technik: Im EU-Projekt „CHEQUERS“ entwickelt das Fraunhofer IAF beispielsweise einen tragbaren auf Quanten­kaskaden­lasern basierenden Detektor, der explosive oder toxische Substanzen berührungs­los aus sicherer Entfernung erkennen kann. Aktuell suchen die Freiburger Forscher Industrie­partner, um ihren Ansatz weiter­zuentwickeln. „Erste Gespräche haben bereits statt­gefunden. Im nächsten Schritt wollen wir mit unserer Sensorik auch einzelne Substanzen einer Wirkstoff­mischung quantifizieren“, skizziert Osten­dorf zukünftige Heraus­forderungen.

Fh.-IAF / DE

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