ETH Lausanne 04.04.2019, 14:33 Uhr

Optischer Chip erkennt Krankheiten

Ein ultradünner optischer Chip, eine digitale Kamera und Bilderkennungssoftware sollen künftig Krankheiten früh erkennen können. Ein entsprechendes Verfahrern wird derzeit an der ETH Lausanne entwickelt.
So sieht der Künstler die Identifizierung von Biomolekülen
(Quelle: EPFL )
In nicht allzu ferner Zukunft besitzt jeder ein elektronisches Gerät, das den Besitzer über seinen Gesundheitszustand informiert und selbst winzige Spuren von unerwünschten Biomarkern im Blut oder im Speichel identifiziert und somit als Frühwarnsystem für den Ausbruch von Krankheiten dient. Das ist die Vision von Forschern der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). Eine neue Meta-Oberfläche soll das Realität werden lassen.

Sensible optische Hotspots

Das Konzept der Wissenschaftler basiert auf einem ultradünnen optischen Chip, der, gekoppelt mit einer digitalen Kamera und ausgestattet mit einer Bilderkennungssoftware, in einer Probe Biomoleküle erkennt und deren Position lokalisiert. Diese Information gibt Aufschluss beispielsweise über anstehende Bedrohungen der Gesundheit.
Die Technologie fusst auf Oberflächen aus Metamaterial, dem «aufgehenden Stern am Photonik-Himmel», wie es die Forscher blumig umschreiben. Es handelt sich um Werkstoffe, die synthetisch hergestellt worden sind und in der Natur kein Vorbild haben. In diese Oberfläche sind Millionen nanometergrosse Elemente integriert, die Licht bestimmter Frequenzen punktuell verdichten. Es entstehen ultraempfindliche optische Hotspots.
Zur Messung wird die Fläche mit einer Probe bedeckt, mit Speichel oder Blut beispielsweise. Dann wird sie mit Licht unterschiedlicher Frequenzen bestrahlt. Trifft es auf ein Biomolekül, das auf einen solchen Hotspot sitzt, meldet dieses sich gewissermassen selbst. Es verändert die Wellenlänge des einfallenden Lichts. Das entstehende Muster wird mit einer Kamera aufgezeichnet und von einem Bilderkennungsprogramm ausgewertet.

Auch Graphen wird sichtbar

In der Praxis setzen die Forscher, darunter Filiz Yesilkoy vom EPFL-Institut für Bioingenieurswesen, Licht unterschiedlicher Frequenzen ein. Das jeweilige Muster wird fotografiert und analysiert. «Wir können nicht nur Biomoleküle erkennen, sondern auch Graphen sichtbar machen, das nur eine Atomlage dick ist», sagt die Schweizer Wissenschaftlerin.
«Licht hat viele Eigenschaften wie Intensität, Phase und Polarisation. Und es kann sich ausbreiten. Das bedeutet, dass optische Sensoren bei der Bewältigung zukünftiger Aufgaben eine wichtige Rolle spielen können, vor allem in der personalisierten Medizin», ergänzt Hatice Altug, die das Projekt leitet.
Noch ist das System aber nicht einsatzfähig, weil nur hochspezialisierte Forscher damit umgehen können. Erst wenn die Probe automatisch ausgewertet wird, die unterschiedlichen Frequenzen also ohne fremdes Zutun auf die Probe fallen und die Kamera nicht mehr von Hand bedient werden muss, ist es einsatzbereit.

Autor(in) Wolfgang Kempkens, pte


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