Interview mit M. Sc. Moritz Kleinert in Projektleiter der Abteilung Photonic Components des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts

08.05.2017

Interview

optiMST: Welche Interessen führten Sie auf das Thema „Spezifische Detektion von Molekülen für die Biosensorik“?

Es waren zwei Richtungen.

Erstens: Das Gesundheitssystem steht weltweit vor Herausforderungen durch die alternde Gesellschaft und die steigenden Kosten der Gesundheitsversorgung, besonders in ländlichen Gebieten.  Neuartige empfindliche Sensorsysteme in Point-of-Care-Testgeräten sind eine Möglichkeit, diese Herausforderungen zu bewältigen.

Zweitens: Zu den Ergebnissen der Nachrichtentechnik gehört u.a. eine ausgereifte Technik zur Herstellung von preiswerten Sensoren großer Stückzahl. Diese Technik bietet sich an, in die Wirtschaft überführt zu werden. Deshalb ist die Biosensorik für uns interessant geworden als Marktpotential und als unser Beitrag zum Wohl der Gesellschaft.

optiMST: Was ist Ihr Ziel?

Wir haben Sensoren entwickelt, die miniaturisiert, schnell und höchst empfindlich die in Flüssigkeiten, Gasen und Stäuben enthaltenen Moleküle nachweisen können. Die Chips der Sensoren aus Siliziumnitrid stehen in großen Mengen Verfügung. „Unser Ziel ist es, Ärzten und Patienten eine neuartige Messplattform zur Verfügung zu stellen, welche schnelle, empfindliche und einfach handhabbare Tests ermöglicht. Dadurch können Patienten Messungen direkt durchführen, für die heutzutage noch große Labore benötigt werden. Dies kann die medizinische Versorgung, insbesondere im ländlichen Raum, deutlich verbessern“ prognostiziert Projektleiter M. Sc. Moritz Kleinert. Für diesen Zweck  wurde ein besonderer wellenleiter-basierter Ringresonator entwickelt. Ringresonatoren werden in der Telekommunikation als schmalbandige Filter benutzt. In Zusammenarbeit mit dem medizinischen Anwendungszentrum der Charité, den Firmen First Sensor AG und SCIENION AG soll das vorhandene know-how vermarktet werden.

optiMST: Wie funktioniert der Sensor?

Das Prinzip besteht in der sensitiven Messung von Konzentrationsänderungen über die Brechungsindexänderung an der Oberfläche des Sensors. Dabei werden photonische Effekte wie die evaneszente Feldkopplung ausgenutzt. Zunächst muss die Oberfläche der Siliziumnitrid-Chips funktionalisiert werden. Das geschieht mit sog. Aptameren, das sind einzelsträngige Moleküle, deren Struktur spezifisch auf die zu analysierende Substanz angepasst wird. Die Aptamere binden die gesuchten Moleküle und verschieben durch die entstehende Brechungsindexänderung die Resonanzen in der Wellenleitung. Hier bringen unterschiedliche Disziplinen wie Festkörperphysik, Photonik, Nachrichtentechnik, Zellforschung und Medizin ihr Wissen ein.

optiMST: Welche Flüssigkeiten können verwendet werden?

Alle biologischen Flüssigkeiten wie Blutserum, Vollblut, Harn, Speichel, Schweiß und weitere können mit diesem Messprinzip zur Analyse herangezogen werden. Auch Gase wie z.B. Sprengstoff-Spuren (TNT) oder Giftgas können auf die Oberfläche der Chips gebracht und dort analysiert werden.

optiMST: Ihre Methode ist prädestiniert für die Verwendung für Point-of-Care-Testing?

Ja, für diese Anwendung in Kliniken, Arztpraxen, im mobilen Versorgungs- und Rettungsdienst. Datenbanken können angelegt werden und ermöglichen weltweit schnelle Hilfe.

optiMST: Wie zuverlässig sind Ihre Sensoren?

Unser molekularer Ansatz ist sehr flexibel über drei Größenordnungen von Nanometer bis Picometer.
Ein etikettenfreier Nachweis ist mit einer Messgenauigkeit möglich, die ca. zwei Größenordnungen über der erforderlichen Nachweisgrenze liegt.

optiMST: Wo sehen Sie Anwendungsmöglichkeiten auf dem Markt?

Unser Sensor ist ein hand-held System, geeignet für Point-of-Care-Testing, Telemedizin und schnelle preiswerte Blut-Analysen. Es hat den Vorteil, mit sehr kleinen Progemengen auszukommen. Das ist besonders wichtig zur Testung von Neugeborenen auf Stoffwechselkrankheiten. Das Gerät kann auch in Rettungswagen eingesetzt werden zur Klärung, ob ein Schlaganfall vorliegt oder eine Thrombose. Patienten in ländlichen Gebieten oder behinderte Menschen können das Gerät mitnehmen. Die Messung erfolgt oftmals wesentlich schneller – weniger als eine Minute – als Messungen, die erst im Zentrallabor vorgenommen werden können. Das Messsignal kann gespeichert und auf Datenbanken bereitgestellt werden.
Die austauschbaren Siliziumnitrid-Sensorchips im Einweg-Handgerät sind sehr kostengünstig.
Mehrere Ringresonatoren mit unterschiedlicher Funktionalisierung ermöglichen Mehrparameter-Diagnose.

optiMST: Haben Sie sich schon nach Partnern in der Wirtschaft umgesehen?

Wir arbeiten eng mit Firmen aus dem Berliner Raum zusammen, um diese Sensorlösung marktreif zu machen. Insbesondere die Optimierung der Handhabbarkeit eines Point-of-Care-Geräts für Ärzte und Patienten steht hier im Mittelpunkt der Entwicklung.

Das Interview führte Dr. Christel Budzinski.

Ansprechpartner:

Moritz Kleinert, M. Sc.
Photonic Components Department
Hybrid PICs Group
E-Mail: moritz.kleinert@hhi.fraunhofer.de
Tel +49 30 31002-380
Fraunhofer Heinrich Hertz Institut
Einsteinufer 37
10587 Berlin

 

 

 

 

 

 

 

© Fraunhofer HHI/Crispin Zawadzki: Moritz Kleinert im Labor bei der Charakterisierung der Mikroringe.

www.hhi.fraunhofer.de

© Fraunhofer HHI/Johannes Stoll: Das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut am Ufer des Landwehrkanals in Charlottenburg.

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