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Neuer Mikrofluidik-Chip in Entwicklung Wasseranalytik auf der Kreditkarte

Autor / Redakteur: Dr. Stefan Kiesewalter* / Christian Lüttmann

Schnell und unkompliziert soll sie sein, die Analyse von Wasserproben. Ein neu entwickelter Mikrofluidik-Chip von Fraunhofer Forschern soll Wasser vollautomatisiert und mit verschiedenen Parametern analysieren. Der erste Demonstrator befindet sich bereits im Test.

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Mit dem im Projekt „Microchip“ entwickelten mikrofluidischen Lab-on-a-Chip lassen sich Proben aus wenigen Tropfen in kurzer Zeit vollautomatisiert analysieren.
Mit dem im Projekt „Microchip“ entwickelten mikrofluidischen Lab-on-a-Chip lassen sich Proben aus wenigen Tropfen in kurzer Zeit vollautomatisiert analysieren.
(Bild: Fraunhofer IMM)

Mainz – Ob im Wasserwerk, Labor, in einem Schwimmbecken oder aus dem Wasserhahn – es gibt zahlreiche Orte, an denen eine schnelle und einfache Wasseranalyse praktisch wäre. Um das zu ermöglichen, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM mit Partnern aus der Industrie ein mikrofluidisches Lab-on-a-Chip entwickelt. Damit lassen sich Proben aus wenigen Tropfen in kurzer Zeit vollautomatisiert analysieren. Das Ziel dabei ist, selbst ungeschultes Personal in die Lage zu versetzen, sechs für die Wasseranalytik relevante Parameter parallel zu detektieren und so Zeit und Kosten zu sparen. Reagenzien können nicht verwechselt werden und die zu dem Verfahren passende Wassermenge ist durch den Chip fest vorgegeben.

Der neue Mikrofluidik-Chip erreicht eine hohe Messgenauigkeit. Dazu verhelfen ihm u. a. eine verlängerte so genannte Pfadlänge und ein angepasstes Design, die den Chip kompakt halten. Anstelle einer ursprünglich geplanten Durchsichtlösung setzten die Projektpartner auf eine so genannte Spiegellösung. Das Re-Design der Hardware mit verschiedenfarbigen LEDs ermöglicht eine Analytik für das auf Photometrie basierende Messverfahren, bei dem gefärbte Wasserproben ausgewertet werden.

Kreditkartenformat voll mit Technik

Der Chip ist nur etwa so groß wie eine Kreditkarte, steckt aber voller Technik wie einer Elektronikplatine mit photometrischen Sensoren, Ultraschallmischer, Druckreservoirs sowie einem Schlauchpumpen-Einschub für den Chip nebst einem Andruckmechanismus, der in dem kleinen Gehäuse untergebracht werden musste. Das Projektteam hat gezeigt, dass es möglich ist, Multi-Parameter-Wasseranalysen in einem Kunststoffchip durchzuführen. Dabei verzichten die Entwickler auf aufwändige und teure Technologien wie Blister und Gefriertrocknung. Sie trocknen die Reagenzien stattdessen direkt in Kammern im Kunststoffchip. Mit einer einfachen Schlauchpumpe wird die Messflüssigkeit durch den Chip gefördert. Dadurch messen die Sensoren die durch die Reagenzien gefärbte Flüssigkeit in derselben Messkammer wie die zuvor farblose Vergleichsprobe. Hergestellt wird der Chip im Spritzgussverfahren. Damit er nach außen hin druckdicht ist, werden die Kanäle aus einer schwarzen Ober- und einer transparenten Unterschale mittels Laserstrahlverfahren verschweißt.

Bisherige vergleichbare Systeme für die automatisierte Wasseranalyse sind nach Zugabe der Wasserprobe in den Polymerchip entweder zu voluminös oder analysieren weniger Parameter parallel. Zwar ist der im Konsortium entwickelte und umgesetzte Demonstrator noch nicht für eine Massenfertigung bereit, die Ergebnisse der Entwicklung und Tests fließen allerdings schon bei einem der Projektpartner (Water-i.d.), bei der Herstellung von weiteren Wasseranalysegeräten und -reagenzien mit ein.

* Dr. S. Kiesewalter, Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM, 55129 Mainz

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