Forscher in Schweden haben einen funktionsf\u00e4higen Laser und einen optischen Biosensor auf einem einzigen Chip von etwa 1 Zentimeter Durchmesser integriert und damit die empfindliche Proteinerkennung n\u00e4her an ein Ger\u00e4t gebracht, das auf der K\u00fcchentheke stehen k\u00f6nnte. Die in ACS Sensors ver\u00f6ffentlichte Studie zeigt, dass die Oberfl\u00e4chenplasmonresonanz, eine Technik, die bisher teuren Laborinstrumenten vorbehalten war, das C\u2011reaktive Protein (CRP) nachweisen kann, wenn die gesamte Lichtquelle und die Messeinrichtung eine winzige Siliziumplattform teilen. Wenn die Technologie regulatorische und technische H\u00fcrden \u00fcberwindet, k\u00f6nnte sie Patienten erm\u00f6glichen, Entz\u00fcndungsmarker zu Hause zu \u00fcberwachen, so wie Millionen Menschen bereits ihren Blutzucker verfolgen.<\/p>\n
Titan-dotiertes Saphir, oder Ti:Saphir, ist seit Jahrzehnten der Goldstandard f\u00fcr abstimmbare Laser in Forschungslaboren. Das Problem ist die Gr\u00f6\u00dfe: Eine konventionelle Ti:Saphir-Anordnung nimmt einen Labortisch ein und kostet Zehntausende von Dollar. J\u00fcngste Arbeiten zu integriertem Ti:Saphir<\/a> zeigten einen Weg, diese traditionell tischgro\u00dfe Technologie in Chip\u2011skalige Laser und Verst\u00e4rker zu \u00fcberf\u00fchren und bewiesen, dass leistungsf\u00e4hige Lichtquellen in kompakte photonische Schaltkreise integriert werden k\u00f6nnen.<\/p>\n Das Team der Chalmers University of Technology baute auf diesem Prinzip auf. Ihr Ger\u00e4t kombiniert einen Miniaturlaser mit optischen Biosensoren auf einem 1\u2011cm\u2011Chip<\/a> und nutzt die Oberfl\u00e4chenplasmonresonanz zur Auslese biologischer Signale. In der Praxis lenken die Sensoren das Licht auf eine Goldoberfl\u00e4che und messen winzige Ver\u00e4nderungen in der Reflexion des Lichts, wenn Biomolek\u00fcle an dieser Oberfl\u00e4che binden, wie in der Pressemitteilung<\/a> der Institution beschrieben. Diese Verschiebung im reflektierten Licht zeigt, ob ein Zielprotein \u2013 in diesem Fall CRP \u2013 vorhanden ist und in welcher Konzentration.<\/p>\n Indem die Forscher den Laser auf demselben St\u00fcck Silizium wie den Sensor integrieren, umgehen sie viele der Ausrichtungs\u2011 und Stabilit\u00e4tsprobleme, die Tischger\u00e4te plagen. Traditionelle Oberfl\u00e4chenplasmonresonanz\u2011Instrumente sind auf sorgf\u00e4ltig ausgerichtete externe Laser, Prismen und optische Tische angewiesen, die mechanisch stabil bleiben m\u00fcssen, um winzige \u00c4nderungen des Brechungsindex zu detektieren. Ein monolithischer Chip dagegen kann wie andere Verbraucherelektronik verpackt werden, wobei die empfindliche Optik vor St\u00f6\u00dfen und Temperaturschwankungen gesch\u00fctzt ist.<\/p>\n Das C\u2011reaktive Protein ist einer der am h\u00e4ufigsten angeforderten Bluttests in der klinischen Medizin. Erh\u00f6hte CRP\u2011Werte weisen auf akute Entz\u00fcndungen hin und werden zur Beurteilung der Schwere von Infektionen, zur Steuerung von Antibiotika\u2011Entscheidungen und zum Screening kardiovaskul\u00e4rer Risiken verwendet. \u00c4rzte verfolgen den Wert bei Erkrankungen von Sch\u00fcben rheumatoider Arthritis bis zur postoperativen Erholung, und selbst moderate Ver\u00e4nderungen k\u00f6nnen Behandlungsentscheidungen beeinflussen. Dennoch erfahren die meisten Patienten ihren CRP\u2011Wert erst nach einem Klinikbesuch, einer Blutabnahme und einer Wartezeit von Stunden bis Tagen auf das Laborergebnis.<\/p>\n Ein zuverl\u00e4ssiger CRP\u2011Test f\u00fcr zu Hause k\u00f6nnte diesen Zyklus auf Minuten verk\u00fcrzen und Menschen mit chronisch\u2011entz\u00fcndlichen Erkrankungen oder postoperativen Patienten die M\u00f6glichkeit geben, Probleme zu erkennen, bevor sie eskalieren. Anstatt abzuwarten, bis sie sich schlechter f\u00fchlen, k\u00f6nnte ein Patient in die Fingerkuppe stechen, eine Messung durchf\u00fchren und einen Arzt kontaktieren, wenn der Entz\u00fcndungsmarker steigt. F\u00fcr die Bev\u00f6lkerungsmedizin k\u00f6nnten h\u00e4ufigere CRP\u2011Daten Forschern au\u00dferdem helfen zu verstehen, wie sich Infektionen und chronische Krankheiten au\u00dferhalb der Krankenhausmauern entwickeln.<\/p>\n Die Oberfl\u00e4chenplasmonresonanz ist ein wichtiges Werkzeug f\u00fcr biomolekulare Studien<\/a>, erforderte bis jetzt aber Tischger\u00e4te mit externen Lichtquellen, Prismaaufbauten und geschulten Bedienern. Die Verkleinerung des Lasers und der Messeoptik auf einen Chip entfernt die teuersten und sperrigsten Komponenten aus der Gleichung. Die verbleibende Herausforderung ist alles, was passiert, bevor Licht die Goldoberfl\u00e4che erreicht: die Blutprobe entnehmen, Plasma von roten Blutk\u00f6rperchen trennen und eine saubere Fl\u00fcssigkeit zum Sensor f\u00fchren.<\/p>\n Die meiste Berichterstattung \u00fcber biosensorische Chips im Miniaturformat konzentriert sich auf die Optik und \u00fcbersieht ein h\u00e4rteres Problem. Ein Heimanwender kann eine Blutprobe nicht zentrifugieren oder Serum mit einer Pipette auf einen Sensor aufbringen. Forschungen zur CRP\u2011fokussierten Biosensorik<\/a> heben die Anforderungen an passive Bluttrennung, Bedienbarkeit und Handheld\u2011Kompatibilit\u00e4t bei Point\u2011of\u2011Care\u2011Ger\u00e4ten hervor. Ohne eingebaute Probenvorbereitung w\u00e4re selbst ein perfekter optischer Sensor au\u00dferhalb des Labors nutzlos.<\/p>\n In dieser L\u00fccke unterscheiden sich der Laser\u2011Chip von Chalmers und das breitere Point\u2011of\u2011Care\u2011Feld. Die ACS Sensors\u2011Studie beweist, dass die Sensortechnik auf Chip\u2011Skalierung funktioniert, beschreibt aber noch kein integriertes Modul, das einen Blutstropfen aus der Fingerkuppe annimmt und ein Ergebnis liefert. Um diese Distanz zu \u00fcberbr\u00fccken, muss passive mikrofluidische Bluttrennung mit dem photonischen Chip kombiniert werden \u2013 ein Schritt, den bisher keine ver\u00f6ffentlichte Studie in einem verbraucherfertigen Paket demonstriert hat. Die Konstruktion eines solchen Systems erfordert das Austarieren von Kapillarfluss, Gerinnungspr\u00e4vention und pr\u00e4ziser Volumenkontrolle, alles in einer Einweg\u2011Kartusche, die ein Laie sicher handhaben kann.<\/p>\n Es stellt sich auch die Frage nach der Robustheit. Heimtests m\u00fcssen Variationen tolerieren, wie Benutzer Blut auftragen, Temperaturschwankungen auf einem Badezimmerregal und monatelange Lagerung, ohne die Kalibrierung zu verlieren. Der On\u2011Chip\u2011Laser bietet hier Vorteile: Seine Emission kann elektronisch \u00fcberwacht und stabilisiert werden, doch die Fluidik und die Oberfl\u00e4chenchemie m\u00fcssen diese Zuverl\u00e4ssigkeit erreichen. Andernfalls k\u00f6nnte das Ger\u00e4t scheinbar pr\u00e4zise Zahlen liefern, die jedoch mit jeder Charge von Kartuschen driften.<\/p>\nWarum CRP f\u00fcr die h\u00e4usliche \u00dcberwachung wichtig ist<\/h2>\n
Die L\u00fccke in der Probenhandhabung<\/h2>\n
SiPhox und der parallele Vorsto\u00df in die Silizium\u2011Photonik<\/h2>\n