Integrierte photonische Biosensoren

Photonisches Biosensorsystem

Ziel dieser Arbeit ist es, photonische Biosensoren auf Siliziumnitridbasis zu entwickeln, die ein breites Spektrum kleiner Biomoleküle in Flüssigkeiten nachweisen können. Unsere anwendungsspezifischen, markierungsfreien, kostengünstigen, einfachen und schnell einsetzbaren Biosensorkonzepte nutzen die Vorteile des integrierten photonischen Designs und der Fertigung auf Waferebene, die Multiplexing, Skalierbarkeit und Miniaturisierung ermöglichen.

Dank des interdisziplinären Charakters der MEOS-Expertise umfasst die Arbeit die Entwicklung aller grundlegenden Module für die photonische Biosensorik: photonische Bauelemente, Mikrofluidik, Oberflächen-Biofunktionalisierung und Bioassays sowie Systemintegration.

Photonische Biosensoren mit kompaktem Design wurden auf einer Siliziumnitrid-Wellenleiterplattform auf 200-mm-Wafern entwickelt. Die Entwicklung fokussierte sich insbesondere auf Multiplex-Mikroring-Resonatorstrukturen mit spezifischen Lichtkoppelelementen (z. B. Gitterkoppler), die bei 1550 nm funktionieren (Abbildung: Funktionsprinzip von Mikroresonatoren für Biosensoren). Weitere Technologieentwicklungen zielen auf photonische Bauelemente bei 850 nm ab.

Es wurde ein Multiplex-Siliziumnitrid-Mikroringresonator-Biosensorsystem entwickelt, das den schnellen und empfindlichen Nachweis mehrerer spezifischer miRNA-Biomarker parallel ermöglicht.

Biomarker-Erkennung

Die Sensormethode beinhaltet die Funktionalisierung von Sensoroberflächen mit Fängermolekülen für krankheitsindizierende Biomarker.

Die derzeit verfolgte und nachgewiesene biomedizinische Anwendung von photonischen Biosensoren ist der Nachweis von transkriptomischen (microRNA) Biomarkern. Die miRNAs gelten als vielversprechende Biomarker für die Diagnose von Krebs oder neurodegenerativen Krankheiten (NDD). Neuartige Biomolekül-Bindungstests mit nukleotidbasierten Komponenten werden derzeit für diese spezielle Anwendung entwickelt.

Die entwickelte Strategie ermöglicht den Nachweis einer Vielzahl von krankheitsanzeigenden Biomarkern (z. B. Nukleotide, Peptide, Proteine, Antikörper, Antigene usw.) in einem gemeinsamen Arbeitsablauf. So ermöglicht die Modularität der nukleotidbasierten Sensorkomponenten auch den Nachweis von Antigenen, die auf Infektionskrankheiten hinweisen, indem sie speziell entwickelte Liganden präsentieren, die an Proteine auf der Oberfläche einer bestimmten Spezies oder eines bestimmten Stammes pathogener Mikroorganismen binden (siehe unsere Patente WO2018215660A1, WO2020212576A1).

Funktionsprinzip von Mikroresonatoren für Biosensoren
Funktionsprinzip von Mikroresonatoren für Biosensoren
SiN-Mikroresonator
SiN-Mikroresonator
Lichteinkopplungsbereich eines SiN-Mikroresonators
Lichteinkopplungsbereich eines SiN-Mikroresonators

Unser Fachwissen

  • Entwurf photonischer integrierter Schaltungen (PIC)
  • Technologieentwicklung für die Herstellung von photonischen Bauelementen auf 200-mm-Siliziumwafern
  • Entwicklung von mikrofluidischen Systemen
  • Entwicklung von Oberflächenfunktionalisierung und spezifischen Biokomponenten und Bioassays
  • Entwicklung von integrierten photonischen Biosensoriksystemen und Tests
  • Miniaturisierung von Systemen durch photonische Montage

Unser F&E-Angebot

  • One-Stop-Shop für die Entwicklung von PIC-Sensoren auf Silizium-Basis für biomedizinische Anwendungen
  • Integrierte photonische Sensorlösungen für personalisierte Point-of-Care-Diagnostik
  • SiN-on-Si photonische Bauelemente und Technologieentwicklung für verschiedene Anwendungen

            o   Biomedizin

            o   Umweltüberwachung

            o   Telekommunikation

            o   Spektroskopie

            o   Quantentechnologie

  • Photonische Montage und Prüfung mit spezialisierten hochpräzisen, schnellen aktiven Justier- und Befestigungsanlagen