Miniaturisierter Phosphoreszenzsensor
Überwachung und Auswertung von Zellkulturen
Das Fraunhofer-Institut FEP entwickelt seit Jahren Sensoren auf Grundlage der OLED-auf-Silizium-Technologie. Nun entwickelten die Forscher einen miniaturisierten Phosphoreszenzsensor, der auf kleinster Chipfläche Marker und Sensor vereint und perspektivisch preisgünstig gefertigt werden könnte.
Im Zuge der Digitalisierung und immer umfassenderen Überwachung von Prozessen, automatisierten Arbeitsabläufen, auch in Biomedizin und Umwelt, ist die Auswahl an Sensoren fast unermesslich groß und wird immer mehr auf den ganz konkreten Anwendungsfall angepasst. Je nach Anforderung und Parametern, wie dem zu detektierenden Stoff oder Objekt, der Ansprech- und Reaktionszeit, dem Empfindlichkeitsbereich, Anschluss- und Gesamtsystem oder der Lebensdauer, gilt es die richtige Kombination zu finden.
Betrachtet man allein die Klasse der Sauerstoffsensoren, so gibt es am Markt viele amperometrische Sensoren, die große Temperaturbereiche abdecken können, aber schwierig zu miniaturisieren und nur auf bestimmte Messpunkte beschränkt sind. Optischen Sensoren, wie zum Beispiel Phosphoreszenzsensoren, überwinden solche Hürden. Sie sind beliebte Alternativen durch ihre einfache Handhabung und Integrationsfähigkeit in bestehende Systeme. Die geringe Störanfälligkeit und einfache Wartung der meisten Geräte überzeugt die Anwender schnell.
Wissenschaftler des FEPs entwickelten einen miniaturisierten Phosphoreszenzsensor. In diesem wird ein Marker durch blaues, moduliertes OLED Licht angeregt und die Phosphoreszenzantwort innerhalb des Sensorchips direkt detektiert. Der Marker bestimmt hierbei den zu messenden Stoff. Eine typische Anwendung ist die Messung der Sauerstoffkonzentration.
Die Herausforderung lag in der Konzeption eines extrem kleinen Sensors, der alle Funktionalitäten vereint und durch die geringe Größe perspektivisch preisgünstig gefertigt werden kann. Hierfür wurden die OLED-Ansteuerung und das Sensor-Frontend in den Siliziumchip integriert und unterschiedliche Anordnungen von Anregungs- und Detektionsbereichen untersucht. Entstanden ist in erster Stufe nun ein miniaturisierter Phosphoreszenzsensor. Dieser ist daumennagelgroß und kombiniert Marker und Sensor in einem Bauelement. Er besteht aus einer blauen OLED, die gemeinsam mit einem kommerziell verfügbaren Marker auf dem Siliziumchip integriert ist.
Der Sensor emittiert auf einer Fläche von ca. 4,7 × 2,2 mm blaues Licht für die Anregung des sauerstoffsensitiven Markers. Die Abklingzeit des emittierten Markerlichtes ist ein Parameter für die Sauerstoffkonzentration der Umgebung. Das geringere Phosphoreszenzsignal wird über integrierte Silizium-Photodioden aufgenommen, im Chip lokal verstärkt und anschließend hinsichtlich der Phasenverschiebung zum Erregersignal bewertet. Perspektivisch soll der Chip deutlich verkleinert werden, das Ziel ist hierbei <2 × 2 mm Gesamtchipgröße.
Die Überwachung und Auswertung von Zellkulturen in sehr kleinen Einwegkulturgefäßen oder in Bioreaktoren ist laut Forscher hierfür ein interessantes Anwendungsbeispiel. »Single-Use-Bioreaktoren« bieten meist nur kleinsten Bauraum und eine begrenzte Anzahl an Ports, über die Messsysteme angeschlossen werden können. Zukünftig soll das Sensorsystem in Richtung Multiparametermessung weiterentwickelt werden. Auch das Monitoring von Flüssigkeiten nach dem Füllprozess im Bereich der Pharmazie in Blistern oder zur Qualitätskontrolle von sauerstoffempfindlichen Arzneimitteln ist denkbar.
Das Fraunhofer FEP auf der embedded world: Halle 4/ Stand 470
Lesen Sie mehr zum Thema
