Entwicklung IMS-Demonstrator

Messung am Labor-Setup

Ionenmobilitätsspektrometrie

Nicht-invasive Diagnostik von Erkrankungen: Detektion von Biomarker-VOCs mittels Ionenmobilitätsspektrometrie

Unser Ziel ist die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur nicht-invasiven Diagnostik von Erkrankungen. Hierzu entwickeln wir einen Labordemonstrator, der mittels Ionenmobilitätsspektrometrie gasförmige Biomarker in Atemluft oder dem Headspace über Urin, Schweiß u.ä. in geringsten Konzentrationen detektieren kann.

Biomarker-VOCs in der Diagnostik

Einen möglichen Ansatz für eine nicht-invasive Diagnostik vieler Erkrankungen bietet die Analyse von gasförmigen Biomarkern: krankheitsspezifische, volatile organische Substanzen (engl. volatile organic compounds, VOCs). Dabei kann es sich um die krankheitsbedingte Konzentrationsänderung der VOCs oder aber um krankheitsspezifische VOCs handeln, hervorgerufen durch Veränderungen des Stoffwechsels erkrankter, infizierter oder veränderter Körperzellen. Bei einer Infektion mit Bakterien oder Pilzen treten zusätzlich VOCs der Mikroorganismen auf. Die VOCs werden über die Atemluft, Urin, Stuhl und die Haut abgegeben und können messtechnisch analysiert werden. Herausfordernd gestalten sich die geringen Konzentrationen der relevanten Substanzen sowie deren einzelne Erfassung, Bewertung und Zuordnung.

Die Diagnostik vieler Erkrankungen erfolgt heute anhand invasiver Probennahme sowie unangenehmer oder sogar schmerzhafter Prozeduren: Blutabnahme, Biopsien, Nasen-Rachen-Abstriche. Andere Erkrankungen wie zum Beispiel Parkinson oder Krebs werden meist erst diagnostiziert, wenn die Symptome bereits stärker ausgeprägt sind und sich somit die Krankheit in einem fortgeschrittenen Stadium befindet. Auch benötigt der Nachweis von spezifischen Erregern bei Infektionserkrankungen häufig Stunden bis Tage und erfordert eine vorhandene Laborinfrastruktur. Die Detektion von Biomarker-VOCs kann hier Abhilfe schaffen!

Gemessenes IMS- Spektrum des Headspace einer biologischen Probe. Zu sehen sind eine Reihe von charakteristischen Peaks.
© Fraunhofer IZI
Gemessenes IMS- Spektrum des Headspace einer biologischen Probe. Zu sehen sind eine Reihe von charakteristischen Peaks.

Krankheiten mittels Ionenmobilitätsspektrometrie am Geruch erkennen

Herzstück des zu entwickelnden miniaturisierten Ionenmobilitätsspektrometers ist der hier abgebildete ca. 5 mm mal 15 mm große FAIMS Chip.
Herzstück des zu entwickelnden miniaturisierten Ionenmobilitätsspektrometers: der ca. 5 mm mal 15 mm große FAIMS Chip.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen Nachweissystems zur Detektion gasförmiger Biomarker-VOCs für die biomedizinische Diagnostik. Eine Hauptkomponente des anvisierten Systems bildet ein miniaturisiertes Ionenmobilitätsspektrometer, das eine einfache und schnelle Erfassung der relevanten VOCs ermöglicht. So kann man innerhalb von wenigen Minuten direkt vor Ort konkrete Anhaltspunkte auf eine Erkrankung erhalten und das völlig schmerzfrei anhand einer nicht-invasiv gewonnenen Probe (Atemluft, Urin, Stuhl, Schweiß). Der in diesem Projekt zu entwickelnde Labordemonstrator soll in Zukunft eine aussichtsreiche Basis bilden, um mit interessierten Partnern eine Geräteentwicklung zu beginnen. Dazu werden folgende Teilschritte umgesetzt:

• Identifikation spezifischer Anforderungen für ausgewählte Beispielanwendungen

• Weiterentwicklung des am Fraunhofer IPMS entwickelten, miniaturisierten Ionenmobilitätsspektrometer Konzeptes

• Systementwicklung und Aufbau eines Labordemonstrators inkl. erforderlicher Gasvorbehandlung und Probennahme

• Nachweis an einem vereinfachten Anwendungsszenario

• Entwicklung einer Auswertesoftware

Zu sehen ist der schematische Aufbau unseres IMS-Demonstrators mit dem integrierten FAIMS Chip.
© Fraunhofer IPMS
Schematischer Aufbau unseres IMS-Demonstrators mit dem integrierten FAIMS Chip.

Erklärung des IMS-Messverfahrens

Videoumsetzung © 3D Agentur Berlin, Dirk Puder und Stefan Loth, GbR

Kooperationsmöglichkeiten

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