Optoelektronischer CMOS-Biochip Präzise In-vitro-Diagnostik ohne Laborumgebung

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Das Ziel ist klar: Mobile Schnelltests, kombiniert mit hoher Genauigkeit bei etablierter Labordiagnostik. Forscher haben dazu einen optoelektronischen CMOS-Chip auf Basis standardisierter Halbleitertechniken entwickelt. Mit CMOS-basierten Chips lassen sich molekulare und proteinbasierte Analyten präzise und digital erfassen.

In der medizinischen Diagnostik besteht seit Langem ein Spannungsfeld zwischen hochpräzisen Laborverfahren und mobilen Point-of-Care-Lösungen. Während Laborgeräte genaue Ergebnisse liefern, sind sie gleichzeitig komplex, kostenintensiv und an zentrale Einrichtungen gebunden. Schnelltests ermöglichen zwar dezentrale Anwendungen, erreichen aber oft nicht die erforderliche Sensitivität und bieten in der Regel keine digitale Auswertung.

Wie lässt sich Laborpräzision in miniaturisierte, kosteneffiziente und skalierbare Systeme integrieren? Die Antwort könnte in der Kombination von standardisierter CMOS-Halbleitertechnologie mit neuartigen bioanalytischen Nachweisverfahren liegen.

CMOS-Chips könnten die technologische Lücke schließen. Alexander Hofmann ist Spezialist für elektrochemische CMOS-Biosensoren am Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme (IMMS). Am 23.April verteidigte er seine Dissertation zum Thema „CMOS-Biochip-System zur optischen Detektion und Quantifizierung von Analyten“ an der Technischen Universität Ilmenau. Seine Forschungsarbeit demonstriert einen entscheidenden Durchbruch in der optoelektronischen Sensorik für diagnostische Anwendungen.

Die technischen Grundlagen

Kern der Entwicklung ist ein optoelektronischer CMOS-Chip, der auf standardisierter Halbleitertechnologie basiert. Das System nutzt Lichtabsorptionsmessungen direkt auf der Chip-Oberfläche, wobei die Probe ohne optische Abstände zum Detektor platziert wird. Dieses als Contact Sensing bekannte Verfahren bietet entscheidende Vorteile:

• Kosteneffiziente Fertigung durch Nutzung etablierter CMOS-Fertigungsprozesse

• Skalierbarkeit für Massenproduktion

• Integration mehrerer Sensorfunktionen auf einem Chip

• Direktmessung ohne komplexe optische Komponenten

„In dem untersuchten CMOS-Biochip-System werden Proben direkt auf einen optischen Sensorchip gegeben und die biochemische Reaktion ohne Abstände zwischen Probe und Lichtdetektor gemessen“, erklärt Hofmann den technischen Ansatz. „Für die notwendige Funktionalisierung der Chip-Oberfläche wurden spezifische Protokolle entwickelt, die biochemische Reaktionen nachweisen können, bei denen je nach Konzentration des gebundenen Analyten Licht unterschiedlich stark absorbiert wird.“

Prototypisierung von IVD-Kartuschen

In-Vitro-Diagnostik – maßgeschneidert und massentauglich

Zwei bioanalytische Verfahren

Die Leistungsfähigkeit des Systems wurde durch zwei unterschiedliche Nachweisverfahren belegt:

• DNA-Nachweis ohne Biomarker: Erstmalig wurde eine direkte DNA-Detektion mittels Lichtabsorptionsmessungen auf CMOS-Biochips ohne zusätzliche Markierungen realisiert. Die Ziel-DNA wurde durch Hybridisierung direkt auf den Photodioden des Chips lokalisiert und hochsensitiv nachgewiesen. Die Ergebnisse deuten auf das Potenzial für PCR-freie molekulare Nachweisverfahren hin – ein bedeutender Fortschritt für die Point-of-Care-Diagnostik.

• Proteinnachweis am Beispiel PSA: In einem immunologischen Ansatz konnte gezeigt werden, dass das entwickelte System bei der Detektion des prostataspezifischen Antigens (PSA) konventionelle Schnelltests (LFA) übertrifft und teilweise bessere Leistungsparameter als der Laborstandard ELISA erreicht. Dies belegt die hohe Präzision bei gleichzeitiger Miniaturisierung.

Modellierung und Systemanalyse

Hofmann entwickelte zusätzlich ein umfassendes Konzept zur Modellierung der optischen, biochemischen und elektronischen Systemkomponenten. Dank der Modellierung lassen sich kritische Leistungsparameter zuverlässig abschätzen.

• Sensitivität und Signalauflösung

• Signal-zu-Rausch-Verhältnis

• Dynamikbereich

• Konzentrationsmessbereich

• Nachweisgrenze

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karsten Seidl, Gutachter der Dissertation und Professor für Medizintechnik an der Universität Duisburg-Essen, betont: „Wir haben hier eine stark interdisziplinäre, hervorragende Dissertation mit hoher Anwendungsrelevanz präsentiert bekommen. Die Arbeit vereint CMOS-basierte Biosensorik und Optoelektronik mit Anwendungen für Molekulartests und Immunoassays – entscheidend, wenn es schnell gehen muss, aber so genau wie im Labor sein soll.“

Das IMMS forscht bereits an einer Erweiterung der bioanalytischen Nachweistechnologien um ISFET-basierte, ionensensitive Verfahren. Diese ergänzen die etablierten optischen Plattformen und erweitern das Anwendungsspektrum erheblich.

„Durch die Kombination optischer und ionensensitiver Nachweismechanismen lassen sich künftig noch breitere bioanalytische Anwendungen abdecken, ohne dabei auf Laborausstattung angewiesen zu sein“, erklärt Univ.-Prof. Dr.-Ing. Ralf Sommer, wissenschaftlicher Geschäftsführer des IMMS. Zudem arbeitet das Institut an der Integration dieser Schaltungen mit mikrofluidischen Lab-on-Chip-Systemen.

Dieser Beitrag ist zuvor bei unserer Schwestermarke www.elektronikpraxis.de erschienen.

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