"Lab-on-a-Chip" – neues Analysesystem für die Untersuchung von Flüssigkeiten in der Produktion

Wenn ein Brauer gutes Bier brauen will, braucht er viel Erfahrung und selbst dann ist der Erfolg nicht garantiert. Für ein optimales Ergebnis muss der Gärvorgang zu einem bestimmten Zeitpunkt unterbrochen werden. Es gibt bisher aber kein Analysesystem, das den Braumeister kontinuierlich über den Alkoholgehalt der Würze und damit den Stand der Gärung informiert. Er muss öfter per Hand Proben nehmen und analysieren.

Siemens-Wissenschaftler arbeiten an einem Minilabor nicht nur für Bierbrauer, das im Gegensatz zu heutigen Analysegeräten ständig Daten liefern und im Prozess integriert arbeiten soll. Das Herzstück des so genannten „Lab-on-a-Chip“ ist kleiner als eine Scheckkarte, was sehr kurze Analysezeiten ermöglicht: In rund drei Minuten liegt ein Ergebnis vor.

Zur Untersuchung von Inhaltsstoffen in Flüssigkeiten gibt es die Kapillarelektrophorese als etabliertes Laboranalyseverfahren. Diese Geräte kosten rund 50.000 Euro und sind etwa einen Meter breit und hoch. Sie brauchen für eine Analyse zwischen zehn Minuten und einer Stunde – je nach Beschaffenheit der Probe. Das Messprinzip beruht vereinfacht gesagt darauf, dass die in der Flüssigkeit gelösten Stoffe in einer Kapillare unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes unterschiedlich schnell wandern und am Ende der Messstrecke getrennt ankommen. Dort werden sie von einem Detektor erfasst. Eine Software berechnet dann den entsprechenden Gehalt. Die Geräte gibt es bisher aber nur für Anwendungen im Labor.

Siemens will die Technik nun auch für die ständige Überwachung industrieller Prozesse verwenden. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Spektrochemie und Angewandte Spektroskopie (ISAS) in Dortmund entwickelten die Spezialisten in Karlsruhe ein mikrofluidisches System aus haardünnen Kanälen. Pro Minute wird aus der zu testenden Flüssigkeit etwa ein Mikroliter (ein millionstel Liter) in das Analysesystem eingeschleust. Nur einige Nanoliter (milliardstel Liter) davon, die eigentliche Probe, wird durch das Schalten einer elektrischen Spannung in die wenige Zentimeter lange Trennstrecke abgezweigt.

Das neue Gerät, das jetzt auf Praxistauglichkeit überprüft wird, kann je nach Anforderungen auch mehrere Komponenten beliebiger wässriger Proben analysieren. Damit wäre es für die Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie zur raschen Qualitätskontrolle ihrer Erzeugnisse geeignet. Denkbar ist ein Einsatz auch in der Biotechnologie, der pharmazeutischen Industrie und der Umwelttechnik.