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Passt wie angegossen

Laminationsverfahren für die Optofluidische On-Chip-Absorptionsspektroskopie

| Autor/ Redakteur: Prof. Dr. Christian Karnutsch und Dr. Jörg Knyrim* / Dr. Ilka Ottleben

Die optofluidische On-Chip-Absorptionsspektroskopie besitzt vielfältigste Anwendungsgebiete, von der Diagnostik bis zur Umweltanalytik. Das Herzstück solcher Systeme ist eine On-Chip-Lichtquelle, die mit einem neuen Laminationsverfahren robust und reproduzierbar hergestellt werden kann.

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Abb. 1: Schematische Darstellung eines optofluidischen Analysesystems
Abb. 1: Schematische Darstellung eines optofluidischen Analysesystems
(Bild: Hochschule Karlsruhe)

Die optofluidische On-Chip-Absorptionsspektroskopie besitzt vielfältigste Anwendungsgebiete: die Blutanalyse direkt im Krankenwagen oder auf der Station, die Produktüberwachung in der chemischen Industrie oder die Schadstoffdetektion in der Umweltanalytik sind einige Beispiele.

Die Absorptionsspektroskopie ist dabei als Analysemethode optimal, denn sie misst zerstörungsfrei Fluide aller Art. Somit ist die Methode vielseitig einsetzbar und interessant für die Industrie, Biologie, Chemie und Medizin und sie ist darüber hinaus ideal für die Point-of-Care-Diagnostik.

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Um solch ein Analysensystem realisieren zu können, benötigt man On-Chip-Lichtquellen, wie organische Laser. Deshalb wurden in der Arbeitsgruppe Integrated Optofluidics and Nanophotonics (IONAS) des Instituts für Sensor- und Informationssysteme der Hochschule Karlsruhe robuste und reproduzierbare Herstellungsprozesse für organische Laser entwickelt. Hauptaugenmerk liegt dabei auf einem Laminationsprozess, der es ermöglicht, Nano­strukturen reproduzierbar abzuformen. Mit dem entwickelten Verfahren können optisch gepumpte organische Laser mit geringem Aufwand in Kleinserie produziert und direkt auf mikrofluidische Kanäle laminiert werden.

Per Laser-Array mehrere Analyten gleichzeitig messen

Das in der AG Ionas entwickelte Analysesystem ist aus drei Hauptkomponenten aufgebaut (s. Abb. 1). Ein organisches Laser-Array mit verschiedenen Laserwellenlängen wird über einer mikrofluidischen Kanalstruktur angeordnet. Das von den organischen Lasern emittierte Laserlicht durchleuchtet die Probe, die sich in der Kanalstruktur befindet. Um die Absorption durch einen bestimmten Analyten zu ermitteln, wird die Intensität des Laserlichts von einem Detektor-Array erfasst.

Wichtigste Komponente des optofluidischen Analysesystems ist das organische Laser-Array. Am Ionas wurde hierzu ein Laminationsverfahren (Patentanmeldung DE102017011726A1) entwickelt, mit dem die Fabrikation von organischen Lasern und die direkte Lamination dieser Laser auf mikrofluidische Kanäle einfach und reproduzierbar möglich ist.

Anmerkung: Die Patentanmeldung wurde kürzlich vom Onlineportal „DeviceMed“ zum „Medizintechnik-Patent der Woche“ gekürt.

Bei organischen Lasern ist besonders die so genannte Distributed-Feedback- (DFB) Laser-Architektur von Bedeutung, da sie einfache und kostengünstige Herstellungsverfahren verspricht. Hierbei erfolgt die Selektion der Laserwellenlänge im Grunde durch die Gitterperiodizität Λ des DFB-Gitters, das mit dem organischen Lasermaterial beschichtet ist (s. Abb. 2). Organische Lasermaterialien absorbieren Licht im ultravioletten (UV) Spektralbereich und emittieren ihre Lumineszenz im sichtbaren Spektrum. Es gibt eine Fülle von organischen Lasermaterialien mit Lichtemission im sichtbaren Spektralbereich. Mit der richtigen Auswahl des organischen Lasermaterials und den passenden geometrischen Eigenschaften ist es möglich, Laserlicht im gesamten sichtbaren Spektrum zu erzeugen.

Organischer DFB-Laser als On-Chip-Lichtquelle

Für die Herstellung von organischen DFB-Lasern muss eine Gitterstruktur in ein transparentes Grundsubstrat eingebracht werden. Für die Einprägung des DFB-Gitters bietet sich ein Stempelprozess an, bei dem die Gitterstruktur zunächst von einem Masterstempel abgeformt wird. Ein etabliertes Herstellungsprinzip ist die UV-Nanoimprint Lithografie (UV-NIL). Die Anschaffung einer UV-NIL-Anlage stellt einen substanziellen Kostenfaktor dar, und für die Bedienung bedarf es geschulten Personals. Das in der AG Ionas entwickelte Herstellungsverfahren für organische DFB-Laser verzichtet auf die Verwendung einer solchen UV-NIL-Anlage.

Die Grundidee des entwickelten Verfahrens zur Herstellung von organischen Lasern basiert (wie der UV-NIL-Prozess auch) auf einem Prägestempelprozess. Inspiriert wurde es durch unsere aktuellen Forschungsarbeiten zur Lamination von Polymeren auf Glasträger. Bei dem entwickelten Verfahren werden die nötigen Materialien für den organischen DFB-Laser über einen einfachen Spincoating-Prozess aufgetragen, womit die relevanten Kenngrößen des organischen DFB-Lasers einfach reproduziert werden können.

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