LUH_LeibnizCampus 19 2017

Optische Technologien | Forschungsschwerpunkt
fläche mit beispielsweise Luft
von Licht einer bestimmten
Wellenlänge (Lichtfarbe) zu
Oszillationen angeregt. Wird
weißes Licht in den SPR-
Sensor gekoppelt, wird eine
bestimmte Lichtfarbe herausgefiltert.
Diese hängt unter
a nderem auch von einer im
Sensor befindlichen Flüssigkeit
ab. Zusätzlich kann der
Metallfilm zum Beispiel durch
Aptamere oder Antikörper
funktionalisiert werden.
Durch Bindung des nachzuweisenden
Analyten an die
Oberflächenfunktionalisierung
des Sensors wird eine
Änderung der SPR herbeiführt,
welche mit Hilfe der
LED und der Kamera des
Smartphones spektral detektiert
werden kann. Die Spezifität
des Sensors wird durch
die verwendete Oberflächenfunktionalisierung
bestimmt
und kann somit flexibel für
vielfältige Anwendungen ausgelegt
werden. Im Rahmen
unseres Vorhabens werden
Aptamere zur Oberflächen­
Diagnostik mit dem Handy funktionalisierung eingesetzt,
da diese im Vergleich zu Antikörpern
Das Konzept des Smartphonegestützten
Schnelltest-Sensors
ist sehr simpel, siehe Abbildung
1. Die Grundlage des
Sensorsystems bildet ein funktionalisierter,
planar-polymeroptischer
Wellenleitersensor
auf Basis von Oberflächenplasmonenresonanz
(SPR). Bei
der SPR werden freie Elektronen
in einem Metall wie Gold
oder Silber an einer Grenz­
mehrere Vorteile
bieten: Sie sind langzeitstabil,
pH- und temperaturunempfindlich
und können vollsynthetisch
hergestellt werden.
Das finale SPR-Sensorsystem
soll als eine auf ein Smartphone
aufsteckbare Schnelltest-Einheit
ausgebildet sein.
Im Gehäuse des aufsteckbaren
Schnelltests ist auch ein
mikro fluidisches System integriert,
das eine hygienische
1b
Probenhandhabung sowie den
automatischen Probentransport
2
hin zur Sensoreinheit er­
möglicht. Der Sensor kann so
beispielweise zur Blutanalyse
eingesetzt und ähnlich angewendet
werden wie ein handelsüblicher
Insulintest. Zur
Blutanalyse wird ein Finger
mit einer kleinen Nadel angestochen
und der entstehende
Blutstropfen auf den auf
das Smartphone aufgesteckte
Sensor gegeben. Der Sensor
wird anschließend mittels
Smartphone-App ausgelesen
und das Ergebnis auf dem
Display angezeigt.
Der neue Ansatz für
Biosensoren:
Licht und Elektronen
im Zusammenspiel
Die prinzipielle Realisierbarkeit
der neuartigen Sensorplattform
konnte im Rahmen
von systematischen Studien
überzeugend nachgewiesen
werden. Dazu wurde zunächst
untersucht, ob ein optischer
SPR-Wellenleitersensor
mit Hilfe eines herkömmlichen
Smartphones betrieben
und verlässlich ausgewertet
werden kann (Schematische
Darstellung in Abbildung 2a).
Für das Experiment wurde
eine 25 cm lange, optische
Plastic Cladding Silica (PCS)-
Glasfaserfaser verwendet. Der
SPR-Sensor wurde durch eine
etwa 1 cm lange Silberbeschichtung
des 400 µm Glasfaserkerns
realisiert. Diese
Beschichtung ist nur wenige
10 nm dick und wurde chemisch
mit Hilfe einer sogenannten
Tollensprobe realisiert.
Des Weiteren wurden
die Enden der Glasfaser in
einem Winkel von 45 Grad angeschliffen
und jeweils vor
der Smartphone-LED beziehungsweise
-kamera mit Hilfe
von Klebstoff fixiert (Abbildung
2b). Anhand eines Beugungsgitters,
das zwischen
Glasfaserende und Smartphone-Kamera
platziert wurde,
konnte das Spektrum des SPR-
Sensors auf der Smartphone-
Kamera abgebildet werden
(Abbildung 2c). Durch die dadurch
vorgenommene spektrale
Zerlegung kann das SPR-
Signal detektiert und eine
Änderung der Umgebungsbrechzahl
durch Verschiebung
der SPR-Wellenlänge gemessen
werden (Abbildung 2d
und Abbildung 2e). Mit diesem
sehr einfachen System konnte
bereits eine Empfindlichkeit
von 5,96 · 10 –4 Brechzahleinheiten/Kamerapixel
erzielt werden
3 . Die Empfindlichkeit des
Sensors für Brechungsindex­
Abbildung 1
Konzept des Smartphonegestützten
optischen Schnelltestverfahrens
(a) und eine mögliche
Gestaltungsform des Endproduktes
(b).
Abbildung 2
Vorarbeiten zum optischen Sensorsystem
für Smartphones:
SPR-Sensorsystem bestehend aus
diskreten optischen Komponenten
(a, b); Spektrum des SPR-
Sensorsystems aufgezeichnet mit
der Smartphone-Kamera (c);
Detektion der SPR mit Hilfe des
Beugungsgitters und der Smartphone-Kamera
(d); Nachweis,
dass die spektrale Verschiebung
der SPR aufgrund von Umgebungsbrechzahländerungen
mit
Hilfe des Smartphones detektiert
werden kann (d, e).
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