Elektrische Biochips ermöglichen billige und schnelle Analysen von Blut- und Lebensmittelproben
Ganzes Labor auf einem Chip

Der Arzt gibt einen Tropfen Blut auf das Mess-System im Scheckkartenformat. Einen Augenblick später weiß er, dass sein Patient nicht nur an einem harmlosen Schnupfen leidet, sondern eine handfeste Grippe vor dem Ausbruch steht. Gleichzeitig prüft das System, ob der Patient das nötige Medikament verträgt und in welchen Dosierungen es eingesetzt werden muss, um optimal zu wirken.

HB KÖLN. Noch ist eine solch blitzschnelle Diagnose samt individuell abgestimmter Therapie Vision. Doch sie könnte bald Wirklichkeit werden - dank des weltweit ersten vollelektrischen Biosensorsystems, das Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie in Itzehoe gemeinsam mit Kollegen der Siemens AG und der Infineon Technologies AG entwickelt haben. Kern der „Labor auf dem Chip“ genannten Technologie ist ein elektrischer Biochip, der biologische Erkennungsvorgänge direkt messen kann – und zwar ohne komplizierte und teure optische Zwischenschritte, die bislang für solche Analysen nötig sind.

Der elektrische Biochip ist etwa so groß wie ein Fingernagel. Darauf sind verschiedene Biomoleküle – so genannte Fängermoleküle – angebracht. Deren Aufgabe ist, bestimmte Sequenzen des Erbmoleküls DNA oder von Proteinen aufzuspüren – und zwar nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip. Eine Hälfte des DNA-Stranges wird auf den Siliziumchip montiert – die andere Hälfte zielsicher aus einer Mixtur verschiedenster Moleküle gefischt. Hat ein Fängermolekül sein Gegenstück gebunden, entsteht ein elektrisches Signal, das direkt von einer Messelektronik ausgewertet wird. „Wir machen künstlich nichts anderes als die Natur, wenn sich Moleküle treffen und aneinander binden“, erläutert Rainer Hintsche, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie, der die Grundlagen der Technologie entwickelt hat. Simpel ist die Entwicklung der Wissenschaftler allerdings nicht.

Vorgänge, wie sie sonst in einem biochemischen Labor ablaufen, mussten miniaturisiert werden – damit die gewünschten Reaktionen auf dem Chip ablaufen können. Eine weitere Schwierigkeit: Die Forscher benötigten chemische Sensoren auf der Basis von Silizium, die den Kontakt mit Flüssigkeiten aushalten. „Das ist kurios“, erläutert Walter Gumbrecht, Projektleiter elektrische Lab-on-a-Chip-Systeme bei der Siemens Corporate Technology in Erlangen. „Denn normalerweise versucht man, dies unbedingt zu vermeiden“. Infineon hat den passenden Chip gebaut, Siemens nutzt die Technologie bereits für die DNA-Identifizierung spezieller Viren bei der Krebsdiagnostik. Ein weiteres Ziel ist, künftig den PH-Wert oder die Sauerstoff-Menge im Blut von Patienten auf Intensivstationen zu überwachen.

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