Echtzeit-Infrarotspektroskopie Lab-on-a-Chip analysiert Inhaltsstoffe von Flüssigkeiten

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Ein Laborgerät in Fingernagelgröße: Mit einem neuen Analytik-Sensor haben Forscher der TU Wien dies realisiert. Sie haben die Infrarotspektroskopie von Flüssigkeiten auf einem kleinen Chip untergebracht und können damit in Echtzeit Proben untersuchen.

Wien/Österreich – Was machen die Moleküle gerade im Reagenzglas? In der Chemie ist es oft wichtig, exakt zu messen, wie sich die Konzentration bestimmter Substanzen verändert – auf einer Zeitskala von Sekunden. Gerade in der Pharmaindustrie müssen solche Messungen extrem präzise und zuverlässig sein.

Forscher an der TU Wien haben nun einen neuartigen Sensor entwickelt, der sich dafür hervorragend eignet und mehrere bisher unerreichte Vorteile miteinander verbindet: Durch maßgeschneiderte Infrarot-Technologie ist er laut den Entwicklern deutlich sensitiver als andere Standard-Messgeräte und deckt einen großen Bereich unterschiedlicher Molekül-Konzentrationen ab. Aufgrund seiner chemischen Robustheit kann er direkt in der Flüssigkeit operieren und liefert damit Daten in Echtzeit, innerhalb von Sekundenbruchteilen.

Den IR-Fingerabdruck von Molekülen in Lösung nehmen

„Um die Konzentration von Molekülen zu messen, verwenden wir Strahlung im mittleren Infrarotbereich“, sagt Borislav Hinkov, Leiter des Forschungsprojekts vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. Das ist eine bewährte Technik: Viele Moleküle absorbieren bestimmte Wellenlängen im Infrarotbereich, andere Wellenlängen lassen sie durch. So haben verschiedene Moleküle ihren spezifischen Infrarot-Fingerabdruck. Wenn man misst, welche Wellenlängen wie stark absorbiert werden, kann man daher feststellen, wie hoch die Konzentration eines bestimmten Moleküls in der Probe gerade ist.

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Besonders in gasförmigen Proben nutzen Chemiker die Infrarot-Spektroskopie schon lange. Neu ist allerdings, dass es nun gelungen ist, diese Technologie auf einem etwa fingernagelgroßen Chip unterzubringen, der speziell für Flüssigkeiten geeignet ist. Das ist nicht nur eine technologische, sondern auch eine analytische Herausforderung, weil Flüssigkeiten die Infrarotstrahlung viel stärker absorbieren als Gase. Realisiert wurden diese Sensoren in Zusammenarbeit mit Benedikt Schwarz vom Festkörperelektronik-Institut und im Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen, dem hochmodernen Reinraum der TU Wien, hergestellt.

„Wenige Mikroliter Flüssigkeit reichen bei uns für eine Messung aus“, sagt Forschungsleiter Hinkov. „Und der Sensor liefert Daten in Echtzeit – viele Male pro Sekunde. Man muss also nicht wie bei anderen Technologien eine Probe entnehmen, sie analysieren und dann vielleicht minutenlang auf ein Ergebnis warten. Man sieht exakt, wie sich die Konzentration verändert und in welchem Stadium sich der untersuchte Prozess gerade befindet.“

Praxistest: Ein Protein ändert seine Struktur

Um die Leistungsfähigkeit des neuartigen Infrarot-Sensors zu demonstrieren, wählten die Entwickler eine Reaktion aus der Biochemie: Ein bekanntes Modellprotein wurde erhitzt, dabei verändert es seine Form. Zunächst ist es Helix-artig aufgewickelt, bei höheren Temperaturen entfaltet es sich zu einer flachen Struktur. Mit dieser geometrischen Veränderung verändert sich auch das Ausmaß, in dem das Protein Infrarotstrahlung bestimmter Wellenlängen absorbieren kann. „Wir wählten also zwei passende Wellenlängen aus und produzierten entsprechende quantenkaskaden-basierte Sensoren, die wir dann in den Chip integrierten“, sagt Hinkov. „Und tatsächlich zeigt sich: Man kann mit diesem Sensor die so genannte Denaturierung des Proteins mit hoher Präzision in Echtzeit beobachten.“

Die Technologie ist den Forschern zufolge extrem flexibel. Ganz nach Bedarf kann man die notwendigen Wellenlängen anpassen, man könnte auf dem Chip auch eine deutlich größere Zahl unterschiedlicher Quantenkaskaden-Sensoren unterbringen und somit die Konzentration unterschiedlicher Moleküle gleichzeitig messen. „Damit eröffnen wir ein neues Feld in der chemischen Analytik: Die Echtzeit-Infrarotspektroskopie in Flüssigkeiten“, sagt Forschungsleiter Hinkov. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig – sie reichen von der Beobachtung thermischer Protein-Strukturänderungen, über ähnliche strukturändernde Prozesse in anderen Molekülen bis hin zur Echtzeit-Analyse chemischer Reaktionen, etwa in der pharmazeutischen Medikamentenherstellung oder in industriellen Fertigungsprozessen. Überall dort, wo man die Dynamik chemischer Reaktionen in Flüssigkeiten beobachten muss, kann die neue Technik Vorteile bringen.

Originalpublikation: B. Hinkov et al., A mid-infrared lab-on-a-chip for dynamic reaction monitoring, Nature Communications 13, 4753 (2022); DOI: 10.1038/s41467-022-32417-7

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