29.06.2015 - Linköping University

Chemische Sensorik auf dem Handy

Autonomes Einweg-Chiplabor mit Smartphonekamera-Auswertung für den dezentralen Einsatz

Weltweit gibt es einen zunehmenden Bedarf an kostengünstigen, autonom funktionierenden Einweg-Sensoren für den dezentralen Einsatz. Schwedische Wissenschaftler haben jetzt durch 3D-Druck-Technik ein Einweg-Chiplabor mit integrierten, ebenfalls gedruckten optischen Linsen entwickelt, das direkt auf die Kamera eines Smartphones aufgesetzt wird. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, ermöglicht der Prototyp zuverlässig quantitative chemische Bestimmungen wie etwa die Messung der Glucosekonzentration im klinisch relevanten Bereich durch eine enzymatische Farbreaktion.

Chemische Sensorsysteme in Chiplaborgröße (LOC) haben einen minimalen Reagenzverbrauch und produzieren kaum Abfallmengen, was sie extrem interessant für Diagnostik- und Sensorik-Anwendungen macht, besonders im dezentralen Bereich. Allerdings brauchen solche LOCs auch Adapter für Akuatoren und Auslesegeräte, und am besten müssen die LOCs in das bestehende Instrumentarium zur Messauswertung vollständig integrierbar sein. Daniel Filippini und seine Gruppe an der Universität Linköping (Schweden) haben ein 3D-Druckverfahren namens Unibody LOC (ULOC) entwickelt, mit dem sie LOC-Einheiten für chemische Sensorsysteme entwickeln, anpassen und optimieren können. Ihre ULOCs sind somit Prototypen für mögliche autonome Einweg-Chiplabors, Testsystem ist ein enzymatischen Farbnachweis auf Glucose mit dem pinkfarbenen Reaktionsprodukt Resorufin.

Das Auslesen übernimmt eine normale Mobiltelefonkamera. Filippini erklärt: "Wir haben das Bauelement so konzipiert, dass es ganz einfach auf der vorderen Kamera sitzen kann; ganz egal, wo sich diese an dem Handymodell befindet. Die Kamera nimmt dann Bilder der Messzone durch eine 3D-gedruckte Linse auf". Die Bedienung durch den Benutzer wurde gleichfalls minimiert und auf die Auslösung mit einer Fingerpumpe beschränkt. Schwierig war es zunächst, ein System für die quantitative Auswertung zu entwickeln, denn die übliche Methode über die Intensität der entstandenen Farbe war wegen der schwankenden und nicht kontrollierbaren Beleuchtung nicht gangbar. Daher verwendeten die Wissenschaftler die Möglichkeit, durch die Videofunktion der Kamera die Farbentstehung zeitlich aufzulösen. Aus der Zeitangabe bis zum Intensitätsmaximum des Resorufins kann man ebenfalls direkt auf die Konzentration rückschließen.

Um eine solche Messung zu demonstrieren, wurde das ULOC auf eine Mobiltelefonkamera gesetzt, der Glucosetest manuell durch die Fingerpumpe gestartet und nach Auswertung eines siebenminütigen Videos die fragliche Glucosekonzentration in der Probe korrekt erhalten. Wie Filippini erläutert, kommt ein solches Einweg-ULOC auch auf für andere chemische Farbnachweise infrage, und enzymatische sowie nicht-enzymatische Systeme wurden bereits erfolgreich getestet. Ein ULOC-Prototyp kostet 1,38 US$, einschließlich der gedruckten Optik. Ein raffinierter Ansatz, um ein universales Problem der chemischen Sensorik zu lösen.

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