Befinden sich Krankheitserreger im Blut? Sind Toxine im Essen enthalten? Künftig sollen sich solche Fragen schnell und einfach zuhause beantworten lassen – über einen kleinen Fluoreszenz-Chip und das Smartphone. Ein Verfahren für das „Labor im Taschenformat“ haben Fraunhofer-Forscher nun vorgestellt.
Wer wissen will, ob er unter Zöliakie leidet, muss bisher einen Arzt aufsuchen. Künftig soll es bereits reichen, das Smartphone und einen kleinen Wegwerf-Chips zu zücken, einen Tropfen Blut auf den Chip zu geben und das Ergebnis wenige Minuten darauf in einer App abzulesen. Auch für andere Krankheiten soll es dann solche Chips geben, ebenso wie im Bereich der Lebensmittelsicherheit – also beispielsweise zum Nachweis spezieller Toxine. Entwickelt werden solche Chips von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena in Zusammenarbeit mit Industriepartnern. Diese stellen die Chips her, auf denen sich kleine Kanäle befinden. Die Fraunhofer-Forscher bestücken die Chips mit den nötigen Optiken. „Wir drucken eine Lampe sowie einen Photodetektor auf – und zwar über herkömmliche, nur leicht modifizierte Tintenstrahldrucker“, sagt Falk Kemper, Wissenschaftler am IOF. Dazu nutzen die Forscher nutzen Spezialtinte, die mit fluoreszierenden Polymeren oder Nanopartikeln versetzt ist.
Um herauszufinden, ob eine Gluten-Unverträglichkeit vorliegt, wird ein Tropfen Blut auf den Chip gegeben. Durch winzige darauf befindliche Kanäle wird das Blut dort sowohl mit speziellen Ankermolekülen als auch mit Fluoreszenzfarbstoffen zusammengebracht. Bei einem Chip, der Zöliakie aufdecken soll, passen ausschließlich die Zöliakie-Krankheitsmarker an diese Anker – alle anderen Moleküle werden weitergeschwemmt. Die Fluoreszenzfarbstoffe hängen sich wiederum ganz oben an den „Turm“ aus Anker und Krankheitsmarker, sie passen ebenfalls nur an die speziellen Krankheitsmarker. Die gedruckte Lampe regt nun die Farbstoffe zum Leuchten an. „Sieht“ der Photodetektor also Fluoreszenzlicht, ist der Krankheitsmarker vorhanden – der Patient leidet an Zöliakie. Ist er hingegen nicht von der Zöliakie betroffen, haften die Fluoreszenzfarbstoffe nicht an und werden herausgespült: Der Chip bleibt dunkel.
Spezialtinte in Schichten
Der Druck der Lampen und Detektoren wird durch vier verschiedene Spezialtinten möglich. „Sowohl die Lampe als auch der Detektor bestehen im Wesentlichen aus vier Schichten: Unten eine Elektrode, dazwischen eine aktive Polymerschicht, darauf wieder eine Elektrode und als viertes eine Filterschicht“, sagt Kemper. Wird eine elektrische Spannung an die Elektroden der Lampe angelegt, leuchtet das Polymer und sendet Licht aus. Allerdings kann der Detektor nicht erkennen, ob das Licht von der Lampe oder vom Farbstoff stammt. Dazu sind die Filter erforderlich. Der Filter auf der Lampe lässt nur das blaue Licht passieren. Die Fluoreszenzfarbstoffe dagegen leuchten gelb – der Filter auf dem Detektor lässt daher nur das gelbe Licht hindurch. Für das blaue Anregungslicht der Lampe ist der Detektor also blind.
Kostengünstig, massentauglich und materialsparend
Das neue Verfahren könnte solche Untersuchungen künftig wesentlich vereinfachen. Denn bislang ist für Fluoreszenzuntersuchungen noch ein vergleichsweise großer und vor allem teurer Aufbau notwendig. „Mit dem Druck per Tintenstrahler entwickeln wir ein kostengünstiges Verfahren, um Fluoreszenzsensoren schnell und kostengünstig herzustellen. Zudem ist es materialsparend und ressourcenschonend, da wir das Material nur gezielt dort aufbringen, wo es auch gebraucht wird“, fasst Kemper zusammen. Zudem lassen sich die Chips sowohl einzeln als auch in Massen kostengünstig. Die Forscher haben bereits erste Prototypen der Fluoreszenzsensoren entwickelt.