Minilabor untersucht kleinste Mengen an Flüssigkeit auf Umweltgifte
Analysetechnik passt komplett auf einen Chip

Fortschritt in der Miniaturisierung der Analysetechnik: Forscher aus Dresden haben einen optischen Sensor in einem Laborchip integriert, mit dem kleinste Mengen an Flüssigkeit untersucht werden können.

HANNOVER. Mit Hilfe von Mikrosystemen - Pumpen, Ventile oder Kanäle in Nanometer-Größe - werden inzwischen Minilabors gebaut, die auf einem Mikrochip Platz finden. Wissenschaftler des Forschungszentrums Rossendorf aus Dresden zeigen auf der Hannover Messe, dass es noch kleiner geht. Sie haben eine komplette Analysetechnik - bestehend aus einer Lichtquelle und Auswerteeinheit - so weit miniaturisiert, dass sie in eine Labor-on-Chip-Lösung integriert werden kann.

Möglich wurde dieser Fortschritt durch einen Durchbruch in der optischen Datenübertragung: Den Dresdener Forschern ist es 1996 weltweit erstmals gelungen, dem Chipmaterial Silizium blaues Licht zu entlocken. Um rentable optische Lösungen auf kleinstem Raum zu realisieren, muss das Material, aus dem die Chips aufgebaut sind, Licht aussenden und empfangen können. Und das ist erst seit diesem Zeitpunkt möglich.

Inzwischen haben die Wissenschaftler ein Bauteil entwickelt, das sich besonders für "Lab on Chip"-Systeme in der Analytik eignet. Der so genannte integrierte Optokoppler auf Siliziumbasis kann in den herkömmlichen Prozessschritten für die Chipherstellung aufgebaut und in einen Chip integrieren werden. Er besteht aus einem Lichtemitter und einem Empfänger. "Versieht man den Bereich zwischen Emitter und Empfänger mit kleinen Hohlräumen, können dort die Flüssigkeiten hindurch strömen, die man analysieren möchte", erläutert Thoralf Gebel, einer der Entwickler.

Vorstellen könne man sich das wie ein Mini-Schachbrett, bei dem auf einzelnen Feldern Lichtquellen an- oder ausgeschaltet werden können. In der Biochemie oder Medizin lassen sich damit chemische Reaktionen erzeugen oder messen. Heutige Analyse-Systeme arbeiten mit externen Lichtquellen wie Lasern. Dadurch werden die Systeme groß und komplex.

"Chips mit integrierter Lichtquelle bieten mehr Flexibilität", verspricht Gebel. Man könne das Labor mit in die Natur nehmen und muss die Proben nicht mehr ins Labor holen. Bei den Herstellern von Minilabors stößt die Technik inzwischen auf großes Interesse. "Der Optokoppler, den die Forscher in Dresden entwickelt haben, könnte uns helfen, beispielsweise Genotypisierungen so zu gestalten, dass sie kompakt und kostengünstig in Routineanwendungen eingesetzt werden können", erklärt Dr. Michael Steinwand, Direktor des europäischen Wissenschaftszentrums von Applied Biosystems. Das kalifornische Unternehmen hat sich auf Genanalyse spezialisiert und stellt so genannte Bio Arrays her. Das sind Chips zur Genanalyse, auf denen DNA-Bauteile aufgebracht sind. Diese Bausteine reagieren mit Stoffen, die zu untersuchen sind.

Auch die Hersteller von so genannten Labchips, die die klassische Laboranalyse ersetzen sollen, könnten von der Miniaturisierungs-Lösung der Dresdner Forscher profitieren. Bei den Labor-on-Chip-Lösungen handelt es sich um fingernagelgroße Glasplättchen mit einem Netzwerk winziger Kanäle und Vertiefungen. Auf diese Plättchen werden unvorstellbar kleine Mengen Flüssigkeit im Nanoliterbereich mit zu untersuchenden Proteinen oder DNA-Stücken eingebracht. "Wir versuchen hier, möglichst alle Laborschritte von der Probenextraktion bis zu biochemischen Reaktionen und der Weiterverarbeitung in einem Schritt zu integrieren", erklärt Odilo Müller, der bei Agilent in Deutschland für die Produktentwicklung zuständig ist. Das erspart Arbeitsschritte im Labor wie das Ansetzen von Trägergelen, das Einfärben und das manuelle Auswerten der Ergebnisse.

Insgesamt wird die Lab-on-a-Chip-Technologie nach Meinung von Agilent-Forscher Müller neben der Integration zwei weitere wichtige Entwicklungen durchmachen: deutliche Steigerung des Probendurchsatzes, indem die Chips mit vielen parallelen Trennkanälen versehen werden. Einen weiteren Trend sieht Steinwand in der Miniaturisierung der Steuerelemente für die Flüssigkeiten, der so genannten Mikrofluidik: "Es sind Komponenten erforderlich, mit denen die einzelnen Kanäle eines Chips angesteuert werden können." Dazu müsse jedoch noch mehr Intelligenz auf die Chips gepackt werden als bisher. Wie das funktionieren kann, erforscht sein Unternehmen derzeit in einem Forschungsprojekt gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut in Berlin, der Dortmunder Steag Microparts, Wissenschaftlern aus der Biosensorik von der Universität Tübingen sowie der Uniklinik Kiel. Dabei sei aber Geduld erforderlich, meint Steinwand: "Wir denken hier in Zeiträumen von drei bis acht Jahren."

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