11.08.2020

Spektrometer aus einem Guss

Besonders kleines Analysegerät auf einem Chip dank integriertem Laser-Absorptionsspektrometer.

Die Absorptions­spektroskopie ist schon seit Jahrzehnten ein gängiges Verfahren, wenn es um Analysen beispielsweise im Medizin­bereich, in der Umwelt­technik oder in der Lebens­mittel­analyse geht. Je nach Anwendung sind die gängigen VIS/NIR-Spektrometer jedoch große Laborgeräte. Für die Unter­suchungen müssen die Proben erst ins Labor gebracht werden. Für Unter­suchungen vor Ort gibt es bereits tragbare Geräte, die jedoch nur für spezielle Unter­suchungen und eingeschränkte Anwendungen einsetzbar sind.
 

Abb.: Labor­aufbau mit einem opto­fluidischen Chip (Bild: Karnutsch, HS...
Abb.: Labor­aufbau mit einem opto­fluidischen Chip (Bild: Karnutsch, HS Karlsruhe)

An der Hochschule Karlsruhe haben Forscher nun ein On-Chip-Spektrometer realisiert, das mit organischen Lasern arbeitet. Christian Karnutsch und Jörg Knyrim entwickelten ein opto­fluidisches On-Chip-Absorptions­spektrometer, das die spezifischen Eigenschaften von organischen DFB-Lasern nutzt. Dadurch konnten sie den Aufbau erheblich vereinfachen, so dass nun keine kosten- oder raum­intensiven Bauteile wie Strahl­teiler, Lichtleiter oder optische Filter­elemente mehr notwendig sind. Der Aufbau wird dadurch nicht nur einfacher, sondern auch erheblich kleiner.

Durch den veränderten Aufbau werden zudem viel­fältigste Anwendungsmöglichkeiten denkbar. Da ein Analyse­gerät mit einem solchen Aufbau sehr klein sein könnte, bieten solche Systeme vor allem in der Medizin ideale Voraus­setzungen für die Point-of-Care-Diagnostik, wie beispielsweise die Blutanalyse direkt im Krankenwagen. Da unterschiedlichste Parameter gemessen werden können, ist das Anwendungs­spektrum sehr breit: Neben Analysen in der Medizintechnik sind auch die Bereiche Umweltanalytik, Produktüberwachung oder Lebensmittelanalytik (Food und Beverage) als Einsatz­möglichkeiten denkbar.

Bei der Verwendung von Spektrometern ist es für die exakte Bestimmung des absorbierten Lichts essentiell, die Licht­intensität vor und hinter der zu unter­suchenden Substanz zu kennen. Dafür werden üblicherweise Strahlteiler eingesetzt, die einen Teil des Lichtstrahles für eine Referenz­messung abzweigen. Karnutsch und sein Team entwickelten eine ganz neue Möglichkeit, indem sie ein Spektro­meter mit organischen Lasern in Verbindung mit mikro­fluidischen Kanälen direkt On-Chip herstellen, das ohne Strahl­teiler und Strahlführung auskommt. Durch die damit erreichte Reduzierung der verwendeten Bauteile wird das Spektrometer nicht nur viel kleiner, sondern auch unempfindlicher gegen Störungen. Zudem werden die Herstellungs­kosten so gering sein, dass auch eine Einmal-Nutzung als Einwegprodukt denkbar sein könnte.

Das optofluidische Analysesystem besteht aus den organischen DFB-Lasern, die jeweils in einem spezifischen Wellen­längen­bereich Licht emittieren. Eine Flüssigkeit, die durch die darunter liegenden Mikrokanäle fließt, lässt sich dementsprechend auf ihr Absorptions­verhalten bezüglich jeder der verwendeten Wellenlängen hin untersuchen. Als Referenzsignal dient die zweite Abstrahl­richtung der Laser. Das Analysesystem kann günstig für jede beliebige Wellenlänge des sichtbaren Lichts sowie im nahen Infrarot (NIR) realisiert werden. Die Materialien, aus denen die organischen DFB-Laser und sonstige Strukturen bestehen, sind zudem ungiftig und können daher ohne Beschränkungen entsorgt werden.

Der nächste Schritt wird nun die konkrete Umsetzung eines Prototyps sein. Die Forscher Christian Karnutsch und Jörg Knyrim werden damit untersuchen, welche konkreten Wellenlängen gebraucht werden und welche Stoffe wie gemessen werden können. Die TLB GmbH unterstützt die Forscher bei der Suche nach einem Kooperations- oder Projekt­partner. Ideal wäre ein Projekt­partner mit einem konkreten Entwicklungsziel. Die Erfindung wurde zum Patent angemeldet (DE und US, anhängig). Die Technologie-Lizenz-Büro (TLB) GmbH unterstützt die Hochschule Karlsruhe bei der Patentierung und Vermarktung der Innovation. 

TLB / DE
 

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