Automatisierungstechnologie
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Automatisierungstechnologie

Biofunktionale Sensoren

Das Fraunhofer IMS entwickelt hochsensitive biofunktionale Sensoren für den spezifischen Nachweis von Biomolekülen.

Biofunktionale Sensoren

Funktionsprinzip biofunktionaler Sensoren
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Methoden der biofunktionalen Sensoren am Fraunhofer IMS: Erforschung von Nanomaterialien für den Einsatz als Nanosensoren, Weiterentwicklung zu biofunktionalen Flächen und Kombination mit hochsensitiver Detektion im nahen Infrarot.

Am Fraunhofer IMS werden biofunktionale Sensoren als Werkzeuge mit enormem Potential in vielfältigen Einsatzgebieten erforscht. Einer unserer Schwerpunkte liegt dabei auf der Entwicklung biofunktionaler Sensoren für Anwendungen in der medizinischen Diagnostik.

Gegenwärtige und zukünftige Herausforderungen der modernen Diagnostik benötigen neuartige Methoden der Biosensorik, um ein schnelles Point-of-Care-Testing für eine personalisierte Medizin zu ermöglichen. Denn nicht nur die Covid-19 Pandemie, sondern beispielsweise auch die wachsende Problematik von Infektionen durch antibiotikaresistente Krankenhauskeime zeigen uns, wie wichtig schnelle und spezifische Werkzeuge zur Pathogendetektion in der modernen Diagnostik sind und zukünftig sein werden.

Die am Fraunhofer IMS neu gegründete Forschungsgruppe »Biomedical Nanosensors« wird von Prof. Sebastian Kruss geleitet und soll bis 2025 Biosensoren entwickeln, die unter anderem Pathogene wie Bakterien und Corona-Viren in Echtzeit aufspüren können. Auf Basis der entwickelten Technologien sollen biofunktionale Sensoren in »smarten Oberflächen«, z. B. für den Einsatz in medizinischen Instrumenten, integriert werden.  Andere wichtige Anwendungsbereiche, für die biofunktionale Sensoren am IMS entwickelt werden, sind die Prozessüberwachung in der Lebensmittel-, in der Antikörper- und Pharmaproduktion sowie die Umweltanalyse.

Der Fokus unserer Entwicklung liegt auf optischen Sensoren für eine Detektion an Ort und Stelle (in-situ), die den Vorteil des kontaktlosen und nicht-invasiven Auslesens in Echtzeit bietet. Dies bedeutet idealerweise eine Sensorik ohne Probenentnahme und aufwändige Probenaufbereitung. Hierzu werden neue funktionale Strukturen erforscht, die auf fluoreszierenden Nanomaterialien als Baustein basieren und chemisch modulierbar sind. Dies ermöglicht es, Nanomaterialien mit einer Biofunktionalisierung mit dem Vorteil einer schnellen optischen remote-Detektion zu kombinieren. Die Nanomaterialien sind äußerst sensitiv für Veränderung in ihrer unmittelbaren molekularen Umgebung, da sie sich auf der gleichen Größenskala wie viele Biomoleküle befinden. So konnten Prof. Kruss et al. bereits hohe Empfindlichkeiten bis hin zur Einzelmoleküldetektion nachweisen und die Freisetzung bestimmter chemischer Botenstoffmoleküle aus Zellen in Echtzeit aufnehmen (www.pnas.org).

Der Schlüssel zur differenzierten Diagnostik liegt bei den Biosensoren im Multiplexing, womit beispielsweise bereits eine Unterscheidung vieler verschiedener Bakterienstämme mit einem auf biofunktionalen Sensoren basierenden Array gelungen ist (siehe www.nature.com).

Dies könnte neue Möglichkeiten in Bereichen der Medizin eröffnen, in denen schnelle Differentialdiagnostik wichtig ist und sogar Leben retten kann, wie z. B. bei der frühzeitigen und schnellen Identifizierung von Bakterien bei Patienten mit Blutvergiftung.

Mithilfe der Vorteile des optischen Auslesens und des genutzten Wellenlängenbereichs wollen wir das Potential biofunktionaler Sensor-Arrays für den Einsatz bei Gelenkprothesen nutzen, bei denen Kontaminationen mit Pathogenen und oftmals multiresistenten Keimen einen der Hauptgründe schwerwiegender Komplikationen darstellen.

Unsere Technologien – Innovationen für Ihre Produkte

Nanosensoren

In den letzten Jahren haben sich bei der Suche nach neuen Materialen für den Einsatz in der Sensorik besonders Nanomaterialien als vielseitig einsetzbar erwiesen.

Biofunktionale Grenzflächen

Am Fraunhofer IMS werden Biosensoren aus Nanomaterialien entwickelt, mit denen sich unter anderem Viren und Bakterien nachweisen lassen.

Nahe Infrarot Detektion

Um neue Materialien und die Struktur von Biomolekülen zu erforschen, die sich auf ihrer Oberfläche befinden, nutzen wir Nahe Infrarot Detektion.

Unsere Technologiebereiche – Unsere Technologien für Ihre Entwicklung

Bildsensoren

Entwicklung von einzelnen Teilschritten bis zum vollständigen kundenspezifischen Prozess.

MEMS Technologien

Niedertemperatur Prozesse zur post-CMOS Integration von MEMS Sensoren oder Aktuatoren.

Spezialtechnologien

Das Fraunhofer IMS bietet auch Spezialtechnologien z. B. Hochtemperatur- Technologie an.

 

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