Nano- und pikofluidische Systeme für die Biomedizintechnik

Der Startschuss für das EU-Projekt GaNano ist gefallen. Ein internationaler Forschungsverbund arbeitet an der Entwicklung eines Systems , mit dem organische Substanzen wie z.B. Proteine und Bakterien in kleinsten Flüssigkeitsmengen wässriger Lösungen identifiziert und analysiert werden können.

Die Neuartigkeit des Systems besteht in der Verwendung des modernen Halbleitermaterials Galliumnitrid (GaN) zur Herstellung von transparenten elektronischen Sensoren sowie von optischen Emittern und Detektoren zur Analyse von Nanotröpfchen.

Vom 22.- 24. Februar 2004 findet am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien (ZMN) der TU Ilmenau das Auftakttreffen der internationalen Projektpartner statt.
Das vom Direktor des ZMN Professor Oliver Ambacher initiierte und künftig als Koordinator geleitete Forschungsprojekt trägt den Titel „Neue Generation von Galliumnitrid basierenden Sensoranordnungen für nano- und pikofluidische Systeme mit Anwendungen in schnellen und zuverlässigen biomedizinischen Tests“ (GaNano).

Der Vorteil des geplanten Analysesystems besteht gegenüber konkurrierenden Geräten in der Kombination der transparenten Sensoren zur Messung der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Nano- und Pikolitertröpfchen mit den Vorzügen der optischen Spektroskopie zum Nachweis von organischen Substanzen innerhalb der Flüssigkeit. Auf diese Weise können kleinste Mengen wertvoller organischer Substanzen oder die Prototypen im Test befindlicher Medikamente schnell und kostengünstig nachgewiesen und/oder evaluiert werden.

Das Projekt ist auf drei Jahre angelegt und wird mit rd. 3,7 Millionen Euro finanziert. Die Europäische Union (EU) fördert dieses Grundlagenforschungsprojekt (Specific Targeted Research or Innovation Project (STREP) mit 2,4 Millionen Euro. Davon fließen allein 370.000 Euro der TU Ilmenau zu.

Neben der TU Ilmenau sind acht weitere Partner aus Forschung und Industrie aus vier europäischen Ländern beteiligt: die Polytechnische Universität Madrid (ES), die Universität Kreta (GR), die Technische Universität München (D), das Institut für Forschung und Technologie Hellas (FORTH, GR), das Warschauer Institut für Hochdruck-Forschung (Unipress, PL) sowie die Firmen General Electric Global Research Europe GmbH (D), TopGaN Ltd. (PL) und die European Aeronautic Defence and Space Company GmbH (D).

Unter der Leitung von Professor Oliver Ambacher werden an der TU Ilmenau transparente, elektronische Sensoren auf der Basis des Halbleitermaterials GaN zur Messung des Volumens, des Ionengehalts, der Zuckerkonzentration, der Polarität und der Temperatur von Nano-Tröpfchen entwickelt. Weiterhin wird am ZMN das Gesamtsystem durch die Integration aller entwickelten Bauteile zu einem kompakten System konstruiert und an organischen Modellsystemen die Leistungsfähigkeit der experimentellen Anordnung optimiert.

Das Prinzip

Für biomedizinische Tests, d.h. im vorliegenden Projekt für den Nachweis organischer Substanzen in Nanoliter-Tröpfchen wässriger Lösungen, ist es erforderlich, sowohl die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Tröpfchen (Volumen, Temperatur, pH-Wert, Ionenkonzentrationen) über miniaturisierte elektronische Sensoren zu messen, als auch eine optische Spektroskopie durch diese transparenten Sensoren hindurch zum Nachweis der organischen Substanzen zu ermöglichen.

Die elektronischen Sensoren sowie die für die optische Spektroskopie benötigten Lichtemitter und Detektoren werden aus Galliumnitrid-Schicht- und Nanostrukturen hergestellt. Solche Nanostrukturen aus dem modernen Halbleitermaterial GaN eignen sich in idealer Weise zur Herstellung elektronischer Sensoren für polare Flüssigkeiten, für Leucht- und Laserdioden mit Emissionen im grünen bis ultravioletten Spektralbereich sowie zur Realisierung von Lichtdetektoren mit hoher Empfindlichkeit in kontrollierbaren Spektralbereichen. Diese Bauelemente ermöglichen sowohl eine Transmissions- als auch Fluoreszenzspektroskopie, mit deren Hilfe einfache organische Moleküle, aber auch komplexe Organismen (z.B. Bakteriophagen) identifiziert und in ihrer Konzentration nachgewiesen werden können.

Die Anwendungen

Neue Anwendungen sieht die Industrie vor allem im Bereich des schnellen „Screenings“ einer hohen Anzahl (etwa 100 pro Sekunde) von sehr kleinen, aber präzise kontrollierbaren Flüssigkeitströpfchen, die als Träger von bekannten und unbekannten Proteinen, Viren oder Bakterien fungieren können. Mit Hilfe der optischen Spektroskopie kann eine hohe Anzahl von Proben vermessen und auch geringe Mengen an organischen Substanzen aufgrund einer guten Statistik präzise nachgewiesen werden. Die möglichen Anwendungen in der Analytik und Diagnostik von organischen Substanzen erstrecken sich sowohl in Forschung als auch Industrie über die schnell expandierenden Arbeitsfelder der Biomedizin, Pharmazie und Labortechnik.

Der Ablauf

Das Forschungsvorhaben ist im Jan. 2004 gestartet und wird voraussichtlich 2006 abgeschlossen werden. Es ist in fünf Arbeitspakete untergliedert, die sich den folgenden Fachschwerpunkten widmen:

-Optimierung eines Dosiersystems zur Erzeugung von Nano- und Pikoliter-Tröpfchen,
-Entwicklung eines Arrays von optischen Sensoren für die optische Spektroskopie organischer Substanzen,
-Herstellung von positionierbaren, transparenten, elektronischen Sensoren zur Ermittlung physikalischer und chemischer Eigenschaften von Nano-Tröpfchen,
-Identifizierung von organischen Modellsystemen zum Test des Analysesystems
-Realisierung und Test eines Analysesystems durch Integration der entwickelten Subsysteme.

In der Endphase werden im Fluidiklabor des Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien die entwickelten elektronischen und optischen Sensoren sowie die Dosier- und Positioniereinheit zu einem kompakten System kombiniert. An organischen Modellsystemen (z.B. Hefezellen oder ungefährlichen Bakterien) wird die Leistungsfähigkeit der experimentellen Anordnung getestet und zu einem Demonstrator zur schnellen und empfindlichen Analyse von biologischen Substanzen in kleinsten Flüssigkeitsmengen optimiert.

Kontakt/Information an der TU Ilmenau:

Projekt-Koordinator: Prof. Dr. rer. nat. Oliver Ambacher, Tel. 03677 69-3402,Oliver.Ambacher@tu-ilmenau.de
EU-Forschungsreferent der TU Ilmenau: Dr. Dirk Schlegel, Tel. 03677-69-2550, Dirk.Schlegel@tu-ilmenau.de
Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien der TU Ilmenau, Referent des ZMN: Dr. Herwig Döllefeld, Tel. 03677 69-3400, herwig.doellefeld@tu-ilmenau.de