Reaktionen in Flüssigkeiten überwachen

Infrarot-Spektroskopie auf einem Chip

Ein nur fingernagelgroßer Chip ersetzt sperriges Labor-Equipment: An der TU Wien wurde ein Infrarot-Sensor entwickelt, der in Sekundenbruchteilen Inhaltsstoffe von Flüssigkeiten detektieren kann.

Der Sensorchip auf einer Aluminium-Leiterplatte. © TU Wien / Hurnaus

Exakt zu messen, wie sich die Konzentration bestimmter Substanzen verändert – oft auf einer Zeitskala von Sekunden, ist für einige Bereichen besonders wichtig. Z.B. müssen solche Messungen in der Pharmaindustrie äußerst präzise sein und zuverlässige Ergebnisse liefern. An der TU Wien wurde ein neuartiger Sensor entwickelt, der sich für solche Messungen zur Reaktionsüberwachung eignet und nach Angaben der TU Wien mehrere Vorteile miteinander verbindet: Durch maßgeschneiderte Infrarot (IR)-Technologie sei er deutlich sensitiver als andere Standard-Messgeräte, er kann für einen großen Bereich unterschiedlicher Molekül-Konzentrationen einsetzt werden, er kann auf Grund seiner chemischen Robustheit direkt in der Flüssigkeit operieren und liefert damit Daten in Echtzeit, innerhalb von Sekundenbruchteilen.

IR-Spektroskopie an Flüssigkeiten
„Um die Konzentration von Molekülen zu messen, verwenden wir Strahlung im mittleren Infrarotbereich“, sagt Borislav Hinkov, Leiter des Forschungsprojekts vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. Das ist eine bewährte Technik: Viele Moleküle absorbieren ganz bestimmte Wellenlängen im Infrarotbereich, andere Wellenlängen lassen sie durch. So haben verschiedene Moleküle einen spezifischen Infrarot-Fingerabdruck. Wenn man misst, welche Wellenlängen wie stark absorbiert werden, kann man daher feststellen, wie hoch die Konzentration eines bestimmten Moleküls in der Probe gerade ist.

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Bei gasförmigen Proben verwendet man Infrarot-Spektroskopie schon seit Langem. Innovativ ist es, diese Technologie kompakt auf einem etwa fingernagelgroßen Chip unterzubringen, der speziell für Flüssigkeiten geeignet ist. Das ist nicht nur eine technologische, sondern auch eine analytische Herausforderung, weil Flüssigkeiten die Infrarotstrahlung viel stärker als Gase absorbieren. Realisiert wurden diese Sensoren in Zusammenarbeit mit Benedikt Schwarz vom Festkörperelektronik-Institut,; hergestellt wurden sie im Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen, einem hochmodernen Reinraum der TU Wien.

„Wenige Mikroliter Flüssigkeit reichen bei uns für eine Messung aus“, sagt Borislav Hinkov. „Und der Sensor liefert Daten in Echtzeit – viele Male pro Sekunde. Man muss also nicht wie bei anderen Technologien eine Probe entnehmen, sie analysieren und dann vielleicht minutenlang auf ein Ergebnis warten. Man sieht exakt, wie sich die Konzentration verändert und in welchem Stadium sich der untersuchte Prozess gerade befindet.“

Expertise aus verschiedenen Fachrichtungen
Möglich wurde das an der TU Wien durch eine Zusammenarbeit von Elektrotechnik und Chemie: Am Institut für Festkörperelektronik hat man jahrelange Erfahrung in der Herstellung von Quantenkaskadenlasern und -Detektoren. Dabei handelt es sich um sehr kleine halbleiterbasierte Bauteile, die durch ihre Mikro- und Nanostruktur dazu gebracht werden, Infrarotstrahlung mit einer präzise definierten Wellenlänge auszusenden oder zu detektieren. Die von einem solchen Laser emittierte Infrarotstrahlung durchdringt die Flüssigkeit auf einer Strecke in der Größenordnung von Mikrometern und wird dann vom Detektor auf demselben Chip gemessen. Aus diesen speziellen, kombinierten ultrakompakten Lasern und Detektoren entstand in Zusammenarbeit mit Bernhard Lendl vom Institut für chemische Technologien und Analytik nun ein Messgerät, das sich in ersten Praxistests bereits bewährt hat.

Das Forschungsteam: Bernhard Lendl, Borislav Hinkov, Florian Pilat und Mauro David (v.l.n.r). © TU Wien / Hurnaus

Praxistest: Ein Protein ändert seine Struktur
Um die Leistungsfähigkeit des neuartigen Infrarot-Sensors zu demonstrieren, wählte man eine Reaktion aus der Biochemie: Ein bekanntes Modellprotein wurde erhitzt, dabei verändert es seine Form. Zunächst ist es Helix-artig aufgewickelt, bei höheren Temperaturen entfaltet es sich zu einer flachen Struktur. Mit dieser geometrischen Veränderung verändert sich auch das Ausmaß, in dem das Protein Infrarotstrahlung bestimmter Wellenlängen absorbieren kann. „Wir wählten also zwei passende Wellenlängen aus und produzierten entsprechende quantenkaskaden-basierte Sensoren, die wir dann in den Chip integrierten“, sagt Borislav Hinkov. „Und tatsächlich zeigt sich: Man kann mit diesem Sensor die sogenannte Denaturierung des Proteins mit hoher Präzision in Echtzeit beobachten.“

Die Technologie ist flexibel: Je nach Anwendung kann man die notwendigen Wellenlängen anpassen, man könnte auf dem Chip auch eine deutlich größere Zahl unterschiedlicher Quantenkaskaden-Sensoren unterbringen und somit die Konzentration unterschiedlicher Moleküle gleichzeitig messen. „Damit eröffnen wir ein neues Feld in der chemischen Analytik: Die Echtzeit-Infrarotspektroskopie in Flüssigkeiten“, sagt Borislav Hinkov. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig – sie reichen von der Beobachtung thermischer Protein-Strukturänderungen, über ähnliche strukturändernde Prozesse in anderen Molekülen bis hin zur Echtzeit-Analyse chemischer Reaktionen, etwa in der pharmazeutischen Medikamentenherstellung oder in industriellen Fertigungsprozessen. Überall dort, wo man die Dynamik chemischer Reaktionen in Flüssigkeiten beobachten muss, kann die neue Technik zum Einsatz kommen.

Die Arbeiten wurden im Rahmen eines Lise-Meitner Stipendiums des FWF an Borislav Hinkov sowie des EU Horizon2020 Projekts cFlow gefördert.

Originalpublikation:
B. Hinkov et al., A mid-infrared lab-on-a-chip for dynamic reaction monitoring, Nature Communications 13, 4753 (2022). https://www.nature.com/articles/s41467-022-32417-7

Quelle: Technische Universität Wien

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