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On-Chip Absorptionsspektrometer – Spektroskopie mit durchstimmbarer Wellenlänge auf kleinstem Bauraum

Kurzfassung

Dieses optofluidische On-Chip-Array mit organischen Lasern eignet sich ideal zur schnellen vor-Ort-Untersuchung von beliebigen Analyten, die selbst oder deren Produkte einer spezifischen Nachweisreaktion im Bereich des sichtbaren Spektrums (und nahen IR) absorbieren.
In Kombination mit einem bereits zuvor entwickelten Laminations- bzw. Abformungsverfahren (siehe 17/052TLB) entsteht hier die Möglichkeit, eine überaus kompakte vor-Ort-Analytik einfach und kostengünstig sowie auf einer sehr robusten Basis anzubieten. Neben der Medizin können auch Anwendungsbereiche wie Lebensmittel- oder Umweltanalytik profitieren.

Hintergrund

Bei der Verwendung von Spektrometern ist es für die exakte Bestimmung des absorbierten Lichtes essentiell, die Lichtintensität vor und hinter der zu untersuchenden Substanz zu kennen. Dafür werden im Allgemeinen Strahlteiler eingesetzt, die einen Teil des Lichtstrahles für eine Referenzmessung abzweigen.

Problemstellung

Durch die Verwendung von Filtern und Strahlteilern sind herkömmliche Spektrometer vergleichsweise groß und von komplexem Aufbau.

Lösung

Die hier vorgestellte Erfindung verwendet organische Laser in Verbindung mit mikrofluidischen Kanälen direkt on-Chip, um eine elegante Lösung für ein Spektrometer ohne Strahlteiler und Strahlführung zu realisieren. Durch die damit erreichte Reduzierung der verwendeten Bauteile wird das Spektrometer außerdem störungsunempfindlicher und deutlich handlicher. Die Abbildung zeigt ein Array mit neun organischen Lasern (DFB-Laser), die jeweils in einem spezifischen Wellenlängenbereich Licht emittieren. Eine Flüssigkeit, die durch die darunter liegenden Mikrokanäle fließt, kann dementsprechend auf ihr Absorptionsverhalten bezüglich jeder der verwendeten Wellenlängen hin untersucht werden. Als Referenzsignal dient die zweite Abstrahlrichtung der Laser. Das Analysesystem kann günstig für jede beliebige Wellenlänge des sichtbaren Lichts sowie im nahen Infrarot (NIR) realisiert werden, und dies bei einer spektralen Breite von nur 1 nm. Die Materialen, aus denen organische DFB-Laser und sonstige Strukturen bestehen, sind zudem ungiftig und können daher ohne Beschränkungen entsorgt werden.

CAD-Modell eines optofluidischen Analysechips [Bild: Hochschule Karlsruhe].
CAD-Modell eines optofluidischen Analysechips [Bild: Hochschule Karlsruhe].

Vorteile

  • Universelles und robustes Basisgerät
  • Wegwerfpatronen für spezifische Analyten
  • Beliebige Wellenlängen im sichtbaren und NIR-Bereich (400 bis 800 nm)
  • Mehrere Wellenlängen pro Kanal und Analyt
  • Durchstimmung der Wellenlängen im Betrieb möglich
  • Einfache und kostengünstige Herstellung
  • Keine Filter und Strahlteiler notwendig (platzsparendes Design)

Anwendungsbereiche

Die optofluidische On-Chip Absorptionsspektroskopie besitzt vielfältigste Anwendungsgebiete, wie z. B. Produktüberwachung in der chemischen Industrie, Schadstoffdetektion in der Umweltanalytik oder medizinische Anwendungen. Auch die schnelle Lebensmittelkontrolle vor Ort, bzw. eine Überwachung wichtiger Parameter während der Herstellung wird so einfach realisierbar.Auch in der Medizin bieten solche Systeme ideale Voraussetzungen für die Point-of-Care-Diagnostik, wie bspw. direkt mit dem Labor vergleichbare Blutanalysen ohne Wartezeiten.

Publikationen und Verweise

Pressemitteilung in der photonik / Forschung & Entwicklung am 29.07.2020:
https://www.photonik.de/mikrofluidikspektrometer-im-on-chip-format/150/21301/404608

Sebastian Morain, Jörg Knyrim, Martin Reufer, Christian Karnutsch:
"Optically Pumped Organic Lasers for Microfluidic On-Chip Absorption Spectroscopy",
IEEE WORKSHOP| June, 8th -9th 2017, Mülheim an der Ruhr,
https://repositorium.hs-ruhrwest.de/frontdoor/deliver/index/docId/34/file/Abstractbook_Online_Version_2017_06_12.pdf#page=16

Passt wie angegossen: Laminationsverfahren für die Optofluidische On-Chip-Absorptionsspektroskopie
Link zu laborpraxis.vogel.de:
https://www.laborpraxis.vogel.de/laminationsverfahren-fuer-die-optofluidische-on-chip-absorptionsspektroskopie-a-874024/

Mini-Blutanalyse mit Laserlicht (BANSAI) bekommt Forschungspreis 2019!
Link zu Youtube:
https://youtu.be/ZdLqMIyWgbo

Exposé
Kontakt
Dipl.-Ing. Julia Mündel
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
muendel(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Funktionsnachweis / TRL3
Patentsituation
DE 202019003 812 erteilt
US 11085865 B2 erteilt
Referenznummer
19/014TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.