Nah-Infrarot Detektion

In verschiedensten biomedizinischen Anwendungen werden Fluoreszenz-Signale genutzt, um Analyte wie Biomoleküle nachzuweisen. Beispielsweise basiert die Detektion bei der PCR-Analytik von (Corona)-Viren auf Fluoreszenzfarbstoffen. Die Verbesserung solcher Methoden ist entscheidend, um die Sensitivität der Biosensorik zu erhöhen und die Detektion zu beschleunigen.

Um Hintergrundsignale bei der Detektion zu verringern, benutzen wir Farbstoffe, die nach Anregung Licht im Bereich des Nah-Infrarots emittieren, da es in diesem Bereich weniger Autofluoreszenz von Biomolekülen gibt. Nah-Infrarot ist ein für den Menschen nicht sichtbarer Bereich des elektromagnetischen Spektrums mit Wellenlängen zwischen 800 nm und 1700 nm. Dieses Licht hat die Eigenschaft, tiefer in biologisches Gewebe eindringen zu können als sichtbares Licht oder Licht größerer Wellenlängen, was auch als »tissue transparency window« (650-1350 nm) bezeichnet wird

Die Anzahl an Nanomaterialien, die im Nah-Infrarot fluoreszieren und zur Signalübermittlung benutzt werden, ist allerdings begrenzt. Neben kolloidalen Farbstoffen oder organischen Fluorophoren treten Kohlenstoffnanoröhren mit ihren einzigartigen Eigenschaften hervor. Sie sind nicht nur äußerst photostabil, sondern zeigen zusätzliche Sensorik-Fähigkeiten wie eine ungewöhnlich hohe lokale Sensitivität für ihre Umgebung.

Die am Fraunhofer IMS entwickelten Nanosensoren auf Kohlenstoffbasis eignen sich hervorragend, um Analyte anhand der Änderung ihres Fluoreszenzverhaltens mit hoher Zeit und Ortsauflösung abzubilden.

Die biologische Transparenz und das hohe Signal-Rausch-Verhältnis des von ihnen ausgesendeten Lichts ist nicht nur nützlich für Messungen an biologischen Proben, sondern auch vielversprechend für in-vivo Anwendungen wie den Einsatz von Nanosensoren als Sterilüberwachung in Implantaten.

Um die Nanomaterialien und Biomoleküle auf deren Oberfläche zu erforschen, nutzen wir daher Methoden der Spektroskopie und Mikroskopie für das nahe Infrarot.

Zur Prozesskontrolle bei der Aufbereitung und Biofunktionalisierung der fluoreszierenden Nanomaterialien nutzen wir die Nah-Infrarot-Spektroskopie.

Eine Art chemischer Bildgebung kann mit Arrays aus im Nah-Infrarot fluoreszierenden Nanosenoren mit für diesen Wellenlängenbereich optimierten Mikroskopsystemen erreicht werden. So lassen sich sowohl räumlich als auch zeitlich aufgelöste Informationen einer Probe gewinnen, wie beispielsweise die dynamische und hochaufgelöste Abbildung der Freisetzung von Neurotransmittern aus Zellen (High-resolution imaging of cellular dopamine efflux using a fluorescent nanosensor array | PNAS Imaging of Monoamine Neurotransmitters with Fluorescent Nanoscale Sensors - Dinarvand - 2020 - ChemPlusChem - Wiley Online Library).

Hochauflösende Bildgebung mit InGaAs-Detektoren nutzen wir zur kontaktlosen Differentialdiagnostik, wie z. B. zur Unterscheidung verschiedener Bakterienstämme (https://www.nature.com/articles/s41467-020-19718-5).

Außerdem erforschen wir neue Nanomaterialien, mit denen durch Detektion der Fluoreszenzlebensdauer anstatt der Fluoreszenzintensität das Signal/Rausch-Verhältnis gesteigert werden kann. Die meisten bekannten Farbstoffe, die im nahen Infrarot fluoreszieren, weisen nämlich sehr kurze Lebensdauern (Pikosekunden) auf, die schwierig zu messen sind. Umgekehrt fluoreszieren Farbstoffe mit technisch messbaren Lebensdauern (Nanosekunden) typischerweise nicht im nahen Infrarot. 

Wir erforschen daher auch eine neue Klasse an 2D-Nanomaterialien mit wesentlich längeren Fluoreszenzlebensdauern im Mikrosekunden-Bereich, die sich unter anderem mit CMOS basierten single-photon avalanche diodes (SPADs) detektieren lassen. Das Fraunhofer IMS verfügt über eine ausgewiesene Expertise im Bereich dieser optischen Detektoren und integrierten Sensorsystemlösungen. Die SPAD-Arrays verfügen über die weltweit niedrigste Dunkelzählrate, so dass ein sehr gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreicht wird. Dies ist eine essentielle Voraussetzung für Anwendungen im Bereich der optischen Biosensorik. In Kombination mit unseren hochsensitiven, fluoreszierenden Biosensoren auf Basis von funktionalisierten Nanomaterialien können somit optische Antworten ohne Signalverlust und komplexe Optik detektiert und verarbeitet werden. Dadurch können die Sensorsysteme deutlich kompakter und kostengünstiger im Vergleich zu bestehenden Laborsystemen werden, was sie zu einer vielversprechenden Technologie für die nächste Generation der medizinischen Diagnostik macht.