Nanosensoren für Biomedizinische Anwendungen

Unsere Sensorik basiert auf Änderungen in der molekularen Umgebung von eindimensionalen Nanomaterialien. Unsere Sensoren lassen sich modular zusammensetzen. 

Für die Entwicklung von Biosensoren setzen wir halbleitende Kohlenstoffnanoröhren (single-walled carbon nanotubes, SWCNTs) ein, die im nahen Infrarot (NIR, 870-2400 nm) fluoreszieren. Im Gegensatz zu anderen Fluorophoren bleichen sie nicht, und eignen sich damit optimal zur Langzeitüberwachung.

Zudem ist die Oberfläche der Nanoröhren hochsensitiv gegenüber Veränderungen in ihrer Umgebung. Durch ein geschicktes Design lassen sich so Sensoren für eine breite Auswahl an Analyten und Sensitivitäten entwickeln. Unsere Anwendungen reichen von der orts- und zeitaufgelösten Detektion der Freisetzung von Neurotransmittern, der Detektion des SARS-CoV-2 Spike Proteins bis zur Detektion von Bakterien in Kulturüberständen und der Überwachung von enzymatischen Reaktionen.

Um die Performance der Sensoren zu verbessern, arbeiten wir stetig an innovativen Ansätzen. Dazu gehört auch die Modifikation der Sensoren mit sogenannten Quanten-Defekten, die man sich wie kleine Unregelmäßigkeiten in einem ansonsten perfekt strukturierten Material vorstellen kann.

Durch das gezielte Einbringen solcher Unregelmäßigkeiten lassen sich die optischen Eigenschaften steuern und für verschiedene Anwendungen optimieren. So ist es zum Beispiel möglich, die Fluoreszenz der Nanoröhre durch eine Änderung der Absorptions- und Emissionswellenlängen zu verschieben und die Quanteneffizienz, also die Stärke der Fluoreszenz, zu erhöhen.

Darüber hinaus bietet das Einbringen der Defekte die Möglichkeit, Nanosensoren schnell und einfach mit Erkennungseinheiten zu funktionalisieren und durch das Strukturieren der Oberfläche auf molekularer Ebene die Selektivität der eindimensionalen Nanosensoren zu steuern.

Die optische Detektion von Signalen im nahinfraroten Spektralbereich ermöglicht im biomedizinischen Kontext ein besonders störfreies Auslesen durch biologisches Gewebe und Flüssigkeiten hindurch, welche durch hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnisse und tiefe Eindringtiefen gekennzeichnet ist.

Um die Signale optischer Sensoren optimal zu erfassen und abzubilden, entwickeln wir am Fraunhofer IMS innovative Aufbauten, die Ihnen das Auslesen von Signalen speziell im NIR ermöglichen.

Dazu gehören unter anderem kompakte Auslesegeräte für den spektralen Bereich > 900 nm und hyperspektrale Aufbauten, die mit nur drei Bildaufnahmen, hyperspektrale (NIR) Bilder erzeugen können und die Modifikation von Standard-Mikroskopen für den NIR Bereich.

Hyperspektrales Imaging mit drei Bildern

Hyperspektrale Bildgebung erfasst sowohl spektrale als auch räumliche Informationen. Das von uns entwickelte HyperNIR-Modul benötigt lediglich drei Aufnahmen und generiert spektrale Informationen im Bereich zwischen 900 nm und 1600 nm. Dabei werden spektrale Auflösungen von weniger als 5 nm und Bildraten von 0,2 Bildern pro Sekunde unter Nutzung der vollen Kamerarauflösung erreicht.

Diese benutzerfreundliche Technologie ermöglicht einfache hyperspektrale Bildgebung, wobei nahezu jede Standard-Kamera für den NIR-Bereich durch das HyperNIR-Modul zur hyperspektralen Kamera erweitert werden kann. Hieraus lassen sich vielseitige Anwendungen in der biomedizinischen Bildgebung und Umweltüberwachung ableiten.