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On-Chip Absorptionsspektrometer

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 entsteht hier die Möglichkeit, eine überaus kompakte Point-of-Care-Diagnostik einfach und kostengünstig sowie auf einer sehr robusten Basis anzubieten. Auch Anwendungsbereiche wie Lebensmittel- oder Umweltanalytik können 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 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.

Schematische Darstellung eines optofluidischen Analysesystems: Gezeigt ist ein 3D-CAD-Modell eines Sensor-Arrays bestehend aus Träger mit mikrofluidischer Kanalstruktur in 3 Reihen auf einem Detektor-Array. Darüber befindet sich eine Ebene mit organischen Laser-Elementen (3 pro Kanal) gedeckelt von einem zweiten Detektor-Array [Bild: Hochschule Karlsruhe].
Schematische Darstellung eines optofluidischen Analysesystems [Bild: Hochschule Karlsruhe].

Vorteile

  • Universelles und robustes Basisgerät
  • Wegwerfpatronen für spezifische Analyten
  • Beliebige Wellenlängen im sichtbaren und NIR
  • Mehrere Wellenlängen pro Kanal und Analyt
  • Einfache und kostengünstige Herstellung
  • Keine Filter und Strahlteiler notwendig

Anwendungsbereiche

Die optofluidische On-Chip Absorptionsspektroskopie besitzt vielfältigste Anwendungsgebiete, wie z. B. Produkt­überwachung in der chemischen Industrie, Schadstoff­detektion in der Umweltanalytik oder medizinische Anwen­dungen. Vor allem in der Medizin bieten solche Systeme ideale Voraussetzungen für die Point-of-Care-Diagnostik, wie bspw. die Blutanalysen direkt im Krankenwagen.

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
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TLB GmbH
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