Winzige Halbleiterkristalle leuchten
© Fraunhofer IMS
Winzige Halbleiterkristalle leuchten

Biofunktionale Grenzflächen

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

Biofunktionale Grenzflächen

Biofunktionalisierung

Am Fraunhofer IMS werden Biosensoren aus Nanomaterialien beispielsweise auf Basis von Kohlenstoff entwickelt, mit denen sich unter anderem Viren und Bakterien nachweisen lassen. Damit dies selektiv passiert, sind Werkzeuge aus der Chemie nötig, um die Interaktion mit der Zielstruktur hoch spezifisch zu machen. Zur Biofunktionalisierung werden fluoreszente Nanomaterialien zunächst mit einer organischen Hülle (z. B. einem Biomakromolekül wie DNA) versehen. Diese wird anschließend chemisch so modifiziert, dass sie biologische Motive (z. B. Stoffwechselprodukte von Bakterien), Antikörper oder Signalmoleküle binden kann und sich dadurch die optischen Eigenschaften der fluoreszierenden Nanomaterialien ändern. Die Fähigkeit die funktionale Hülle (organische Phase) zu kontrollieren, die sich um die benutzten Nanomaterialien herum befindet, bildet also die Grundlage für eine selektive Biofunktionalisierung und damit für hochsensitive und schnelle Nanosensoren.

Bei der Entwicklung unserer Biosensoren kombinieren wir die Einzelmolekül-Sensitivität der biofunktionalisierten Nanomaterialien mit höchstsensitiven Einzelphotonen-Detektoren und erhöhen zugleich die Zahl der auswertbaren Sensoren. Hierfür kombinieren wir multiple optische Nanosensoren mit unterschiedlicher Biofunktionalisierung und integrieren sie in funktionalen Sensor-Arrays. So lassen sich Analyte anhand ihrer charakteristischen Signatur identifizieren und unterscheiden (»fingerprinting«). Auf diese Weise lassen sich z. B. Bakterien indirekt über ihre Stoffwechselprodukte nachweisen: unterschiedliche Bakterienarten geben charakteristische Mischungen aus Molekülen an ihre Umgebung ab, die zu ihrer Unterscheidung als »chemischer Fingerabdruck« genutzt werden können. Dies gelang beispielsweise mit Nanosensoren (https://www.nature.com/articles/s41467-020-19718-5), die auf Kohlenstoffnanoröhren basieren und chemisch so verändert wurden, dass sie sowohl verschiedene Stoffwechselprodukte von Bakterien als auch spezifische Virulenzfaktoren detektieren können. Anschließend wurden die verschieden biofunktionalisierten Nanosensoren in Hydrogel-Arrays immobilisiert. Durch Nah-Infrarot Bildgebung aus 25 cm Entfernung zu diesen Arrays konnten verschiedene Bakterienstämme nach Zugabe erfolgreich anhand ihres Intensitätsmusters unterschieden werden. Außerdem bietet die Einstellbarkeit der optischen Eigenschaften der Nanomaterialien durch ihre Größe weitere Möglichkeiten des Multiplexings und hat eine spektrale Kodierung zur Differenzierung der Bakterien ermöglicht. Die Technologie der biofunktionalisierten Nanosensoren bietet also das Potential als »künstliche Spürnase« eine ganze Bandbreite verschiedener Substanzen simultan zu erkennen und smarte Oberflächen zur differenzierten Pathogendiagnostik zu entwickeln.

Wir erforschen außerdem Methoden, mit denen man die sensitiven Nanomaterialien anwendungsorientiert auf unterschiedliche Oberflächenstrukturen aufbringen kann und deren Einfluss auf die Sensorik.  Auch hier erweisen sich die verwendeten Nanomaterialien als vielseitig einsetzbar. Sie lassen sich, je nach Anwendung, z. B. auf glatten Oberflächen wie Silizium-basierten Substraten immobilisieren oder in porösen Matrizen aus polymerbasierten Hydrogelen einschließen. Unser Ziel ist die Entwicklung von »smarten Oberflächen«, die nicht nur in der Pathogendiagnostik von Vorteil sein können, sondern z. B. auch die Testung ganzer Wirkstoffbibliotheken für Medikamente ermöglichen oder die Suche nach neuen Impfstoffen revolutionieren könnten.

Konzepte der Nano-Biosensoren sind optische remote Detektion und kompakte Integration hochsensitiver, biofunktionalisierter Nanomaterialien on-Chip.
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Konzepte der Nano-Biosensoren sind optische remote Detektion und kompakte Integration hochsensitiver, biofunktionalisierter Nanomaterialien on-Chip.

PNAS

High-resolution imaging of cellular dopamine efflux using a fluorescent nanosensor array.

Imaging of Monoamine Neurotransmitters with Fluorescent Nanoscale Sensors

Dinarvand - 2020 - ChemPlusChem

Quantum Defects

As a Toolbox for the Covalent Functionalization of Carbon Nanotubes with Peptides and Proteins - Mann - 2020 - Angewandte Chemie International Edition - Wiley Online Library

Remote near infrared identification of pathogens with multiplexed nanosensors

Remote near infrared identification

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.

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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