Ein optischer Mini-Sensor, der Antigene aufspürt
Die Basis des Sensors von Marco Roth ist ein millimeterdünnes Glassubstrat. Mittels moderner laserbasierter Fertigungsverfahren strukturierte er darin winzige Lichtleiter und Flüssigkeitskanäle und stellte daraus einen hochpräzisen, zuverlässigen Sensor zur Charakterisierung von Flüssigkeiten her. Ein solches System kann in der Biomedizin eingesetzt werden, um beispielsweise Blut oder Urin auf spezifische Krankheitsmarker zu untersuchen, deren Nachweis bislang oft aufwendig und zeitintensiv waren.
«Die Frage, wie man Licht in Wellenleitern aus Glas präzise führen, aufteilen und wieder zusammenführen kann, hat mich während meines Masterstudiums immer wieder beschäftigt. Am Schluss ist es gelungen, einen funktionierenden Demonstrator inklusive aller Anschlüsse aufzubauen», erzählt Marco Roth. Er hat an der OST Mechatronik studiert und anschliessend den Master of Science in Engineering im Profil «Photonics and Laser Engineering» berufsbegleitend absolviert. Seit seinem Abschluss im März arbeitet er nun Vollzeit am Institut für Mikrotechnik und Photonik (IMP) in Buchs.
Wellenleiter statt Freistrahloptiken
Das neu entwickelte Messprinzip nutzt ein optisches Interferometer. Dabei wird ein einziger Laserstrahl im Glas auf zwei getrennte Wege aufgeteilt: einen Messkanal und einen Referenzkanal. Durch ein spezielles Laserverfahren verlaufen die Lichtleiter direkt an der Wand der Flüssigkeitskanäle. So tritt das geführte Licht in direkte Wechselwirkung mit der vorbeifliessenden Probe. Verändert sich nun die Flüssigkeit im Messkanal – beispielsweise, weil sich spezifische Antigene an der Oberfläche festsetzen –, verlangsamt oder beschleunigt sich das Licht auf diesem Pfad ganz leicht. Werden die beiden Lichtstrahlen am Ende wieder zusammengeführt, überlagern sie sich und es kommt zur Interferenz. Der minimale Laufzeitunterschied des Lichts zeigt sich als Helligkeitsunterschied am Ausgang und kann extrem genau gemessen werden.
Das Besondere daran: Im Gegensatz zu klassischen Aufbauten werden keine externen Bauteile wie Spiegel oder Linsen benötigt, da alle Lichtwege direkt im Glas verlaufen. Das Prinzip funktioniert ähnlich wie bei einer elektrischen Leiterplatte – nur dass anstelle von Strom eben Licht geleitet wird.
Faszinierende Präzision
«Die Kombination aus Laserschreiben und nasschemischem Ätzen bietet hervorragende Möglichkeiten, um Optik und Fluidik auf kleinstem Raum zu verbinden», erklärt Marco Roth. Nach umfangreichen Simulationen und Tests gelang es ihm, vollständige Sensormodule mit festen Glasfaser- und Flüssigkeitsanschlüssen herzustellen.
Die Messgenauigkeit ist bemerkenswert: Der Sensor kann selbst kleinste Eigenschaftsänderungen der Flüssigkeit zuverlässig detektieren.
«Die Arbeit von Marco Roth zeigt eindrücklich, wie durch die Kombination von präziser Laserbearbeitung und Mikrotechnik neuartige Sensorkonzepte auf kleinstem Raum realisiert werden können. Der erfolgreiche Aufbau dieses Demonstrators ist ein wichtiger Meilenstein für die Weiterentwicklung optischer Biosensoren an unserem Institut.»
Prof. Dr. Markus Michler, Betreuer der Masterarbeit
Exzellente Infrastruktur an der OST
«Was mich an dieser Arbeit besonders faszinierte, war die Tatsache, dass ich unterschiedlichste Verfahren kombinieren und alle Komponenten selbst herstellen konnte», blickt Marco Roth zurück. An der OST in Buchs stand ihm die gesamte dafür notwendige Infrastruktur zur Verfügung. «Ich konnte mit interdisziplinären Teams aus unserem Institut zusammenarbeiten – von der Laserbearbeitung über die Mikrofluidik bis hin zur Montage im Reinraum. Die ausgezeichnete Laborinfrastruktur der OST hat diese Arbeit erst möglich gemacht.»
Die wissenschaftliche Fachwelt zeigte sich ebenfalls überzeugt: Marco Roth präsentiert seine Arbeit dieses Jahr auf zwei internationalen Fachkonferenzen – im Juni auf der European Conference on Integrated Optics (ECIO) und im August auf dem Annual Meeting der European Optical Society (EOS) in Finnland. Für die Biosensorik ist die Technologie hochrelevant, weil sich solche Licht-Chips flexibel und extrem kompakt für verschiedenste Messaufgaben massschneidern lassen.