Vor-Ort-Analytik

Photonische Bauelemente für Chip-integrierte Biosensoren

  • Abb. 1: Prinzipdarstellung optischer Ringresonatoren mit a) Kanalwellenleiter und b) Schlitzwellenleiter. Das Licht interagiert mit den Analyten und verändert das Transmissionsverhalten des Resonators. c) Simuliertes Transmissionsspektrum am Ausgang eines optischen Ringresonators ohne Protein (Zustand 1) und mit Protein (Zustand 2). Die Wellenlängenverschiebung Δλ gibt Auskunft über die Menge adsorbierter Analyten.Abb. 1: Prinzipdarstellung optischer Ringresonatoren mit a) Kanalwellenleiter und b) Schlitzwellenleiter. Das Licht interagiert mit den Analyten und verändert das Transmissionsverhalten des Resonators. c) Simuliertes Transmissionsspektrum am Ausgang eines optischen Ringresonators ohne Protein (Zustand 1) und mit Protein (Zustand 2). Die Wellenlängenverschiebung Δλ gibt Auskunft über die Menge adsorbierter Analyten.
  • Abb. 1: Prinzipdarstellung optischer Ringresonatoren mit a) Kanalwellenleiter und b) Schlitzwellenleiter. Das Licht interagiert mit den Analyten und verändert das Transmissionsverhalten des Resonators. c) Simuliertes Transmissionsspektrum am Ausgang eines optischen Ringresonators ohne Protein (Zustand 1) und mit Protein (Zustand 2). Die Wellenlängenverschiebung Δλ gibt Auskunft über die Menge adsorbierter Analyten.
  • Abb. 2: Querschnitt und Simulation der optischen Feldverteilung eines Kanal- und Schlitzwellenleiters. Im Gegensatz zu dem Kanalwellenleiter wird bei dem Schlitzwellenleiter ein Großteil des Lichts in der näheren Umgebung des eigentlichen Siliziumwellenleiters geführt und kann so verstärkt mit der Umgebung interagieren.
Chip-integrierte photonische Biosensoren können durch die schnelle und genaue Analyse unterschiedlichster Stoffe zu großen Fortschritten in der medizinischen Diagnostik, Lebensmittel- und Umweltüberwachung beitragen. Diese bieten die Aussicht auf eine kostengünstige Lab-on-a-Chip-Plattform und so auf eine zuverlässige Vor-Ort-Analytik und Diagnostik.
 
Der Schwerpunkt bei der Entwicklung zukünftiger Chip-integrierter Biosensoren liegt auf der Kombination photonischer Bauelemente mit siliziumbasierter Mikroelektronik. Diese neue Generation photonischer Biosensoren setzt auf optische Ringresonatoren. In diesem Artikel wird das Funktionsprinzip solcher Chip-integrierter Ringresonatoren beschrieben. Zudem werden aktuelle Forschungsergebnisse und Ansätze zur Erhöhung der Licht-Analyt-Wechselwirkung durch Optimierung von Wellenleiterstrukturen dargestellt. 
 
Photonische Biosensoren
Mit Biosensoren, die auf photonischen Ringresonatoren basieren, können Stoffe selektiv und markerfrei nachgewiesen werden. Solche Nachweise sind in vielen Bereichen der Vor-Ort-Analytik relevant. Beispiele hierfür sind der Nachweis von Proteinen in Lebensmitteln, Toxinen in der Umwelt oder die Blutanalyse. Derartige Biosensoren stellen auf einem Chip-integrierte Verfahren dar und zeichnen sich im Gegensatz zu üblichen Vor-Ort-Analyseverfahren durch ihre Miniaturisierung, Empfindlichkeit, Parallelisierungs- und Diversifizierungsmöglichkeiten aus. 
 
Der Vorteil photonischer Messverfahren gegenüber üblichen markierungsfreien Technologien ist die hohe Sensitivität des Messprinzips und die Möglichkeit kostengünstige Einweg-Chips herzustellen. Die integrierte Photonik verbindet Vorteile optischer Sensorik mit jenen mikroelektronischer Chipproduktion. So können Bauelemente hergestellt werden, die für den breiten Einsatz in der Bioanalytik geeignet sind. 
 
Im Rahmen des Joint-Labs zwischen der TH Wildau und dem Leibniz Institut für innovative Mikroelektronik IHP werden solche Bauelementkonzepte in einer SiGe BiCMOS-Pilotlinie umgesetzt. Ein Schwerpunkt ist die Erhöhung der Licht-Analyt-Wechselwirkung durch die Konzeption und Optimierung optischer Wellenleiterstrukturen.
 
Photonische Biosensoren auf einem Chip
Für die Integration von Biosensoren auf einen Chip kommen zwei Kombinationsansätze, die hybride und die monolithische Integration, in Frage.

Im Gegensatz zur hybriden Integration, bei der elektronische Chips mit photonischen Chips nach der jeweils getrennten Herstellung miteinander verbunden werden, erlaubt die monolithische Integration die Verbindung von photonischen und elektronischen Komponenten auf engstem Raum. 

 
Die Integration von Biosensoren auf einem Chip und damit die Herstellung von Lab-on-a-Chip-Lösungen ist mit beiden Ansätzen möglich. Der Hauptvorteil liegt in der Analyse ohne spezielle Kenntnisse bzw. Laborumgebung direkt vor Ort.
 
Siliziumbasierte Technologien sind etablierte, industrielle Plattformen um große Stückzahlen für den Konsumentenmarkt herzustellen. Dies bietet die Voraussetzungen für zukünftige kostengünstige Sensorlösungen.
 
Funktionsweise photonischer Biosensoren
Eine neue Generation von Biosensoren zur markerfreien Detektion von Biomolekülen basiert auf Chip-integrierten photonischen Ringresonatoren. Diese bestehen aus Kanalwellenleitern oder Schlitzwellenleitern. Abbildungen 1a und 1b zeigen die Schemata derartiger Ringresonatoren. Aktuell wird das Licht eines durchstimmbaren Lasers über eine optische Faser in den photonischen Chip eingekoppelt und durch eine Photodiode ausgewertet. Nur bestimmte Wellenlängen werden dabei in den Resonator eingekoppelt, es entsteht ein Resonanzpeak am Ausgang. Um eine selektive Interaktion zu realisieren, wird der Wellenleiter mit spezifischen Liganden funktionalisiert. Wenn der Analyt mit dem Liganden in Wechselwirkung tritt, wird die Lichtwelle in ihrer Ausbreitung beeinflusst, die Resonanzbedingung ändert sich und der Resonanzpeak wird um Δλ verschoben. Abbildung 1c zeigt schematisch das Funktionsprinzip eines photonischen Biosensors und die berechneten Transmissionsspektren vor und nach der Reaktion der Wellenleiteroberfläche mit den Analyten. Die Größe der Wellenlängenverschiebung Δλ gibt Auskunft über die Menge adsorbierter Analyten und somit über seine Konzentration in der zu analysierenden Messlösung.
 
Bei Kanalwellenleitern wird das Licht im Silizium geführt und interagiert nur durch das evaneszente Feld mit dem Analyten, also einem Bruchteil von etwa 20% des eingekoppelten Lichts. Im Vergleich hierzu gewährleisten Schlitzwellenleiter (Abb. 2), eine wesentlich höhere Interaktion zwischen der geführten Lichtwelle und dem Analyten, da im Vergleich zu Kanalwellenleitern mehr als dreimal so viel Licht in der näheren Umgebung der Siliziumstege geführt wird. Schlitzwellenleiter zeigen deshalb in ersten Experimenten eine erhöhte Licht-Analyt-Wechselwirkung. Nachteil der Schlitzwellenleiter sind die hohen optischen Verluste durch Streuung an den Seitenwänden der Siliziumstege. Daher besitzen Ringresonatoren, die auf Schlitzwellenleitern basieren, nur geringe optische Gütefaktoren, d.h. die Halbwertsbreite δλ der Resonanzpeaks ist sehr groß. Der optische Gütefaktor, auch Q-Faktor genannt, ist ein Maß dafür, wie schmalbandig ein Resonanzpeak ist. Die Sensitivität des Biosensors steigt proportional mit dem Q-Faktor, da die Peaks besser aufgelöst werden können und somit die zur Detektion notwendige Wellenlängenverschiebung Δλ kleiner sein kann. Resonatoren für die optische Sensorik benötigen extrem hohe Q-Faktoren von bis zu 100.000. Bisher können diese Werte nur mit Kanalwellenleitern ermöglicht werden, da Schlitzwellenleiter aufgrund der optischen Verluste dies nicht leisten können.
 
Stand der Forschung und Technik
Die markierungsfreie Bindungsdetektion durch die Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie hat sich zu einem Standard in der Bioanalytik entwickelt. Diese Messtechnik ist jedoch mit relativ hohen Kosten verbunden. Daher gibt es Bestrebungen preiswertere photonische Bauelemente auf einen Chip, wie im Aufmacherbild gezeigt, für den breiten Einsatz in der Analytik einzusetzen. 
 
2009 wurde erstmals ein Biosensor zur Detektion von Proteinen auf Basis von Schlitzwellenleitern demonstriert [1]. Es konnte experimentell eine 3,5-fach größere Licht-Analyt-Wechselwirkung des geschlitzten Ringresonators im Vergleich zu einem Ringresonator mit Kanalwellenleiter nachgewiesen werden, wobei ein Avedin-Biotin-System verwendet wurde. Der Q-Faktor war jedoch mit 5.000 relativ klein. Eine neue kürzlich veröffentlichte Hybridlösung aus konventionellem und geschlitztem Wellenleiter mit deutlich erhöhtem Q-Faktor bietet einen vielversprechenden Ansatz [2].
Durch die Optimierung der Abmaße des Schlitzwellenleiters können bis zu 75% des Lichts in der näheren Umgebung des Schlitzwellenleiters geführt werden, wie Simulationsstudien zeigen [3, 4]. Eine optimale Lichtführung wird bei einer Stegbreite von w = 180 nm, einer Schlitzbreite von s = 180 nm und einer Wellenleiterhöhe von h = 220 nm erreicht (vgl. Abb. 2). 
 
Fazit
Photonische Biosensoren sind vielversprechende Kandidaten für zukünftige Lab-on-a-Chip-Lösungen. Durch die Optimierung von photonischen Wellenleitergeometrien lassen sich erhöhte Licht-Analyt-Wechselwirkungen erreichen. Der Vorteil siliziumbasierter photonischer Bauelemente besteht darin, dass sie mit den in der Halbleiterindustrie üblichen Prozessen herstellbar sind. Dieser Ansatz profitiert von günstigen Synergieeffekten, da die Vorteile etablierter Halbleitertechnologien mit photonischer Bioanalytik kombiniert werden. 
 
Danksagung
Teile der Arbeit sind durch das Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMBF) unter dem Förderkennzeichen 03FH086PX2 unterstützt worden.
 
Autoren
Patrick Steglich1, Silvio Pulwer1, Claus Villringer1, Joachim Bauer1, Friedhelm Heinrich1, Birgit Dietzel1, Andreas Mai2, Sigurd Schrader1
 
Zugehörigkeiten
1AG für Photonik, Laser- und Plasmatechnologien, TH Wildau, Wildau

2IHP, Leibniz Institut für Innovative Mikroelektronik, Frankfurt (Oder)

Literatur
[1] T. Claes, et al., "Label-free biosensing with a slot-waveguide-based ring resonator in silicon on insulator", Photonics Journal, IEEE 1.3 : 197-204, (2009), DOI:10.1109/JPHOT.2009.2031596

[2] P. Steglich et al., “Novel ring resonator combining strong field confinement with high optical quality factor”, Photonics Technology Letters, IEEE, vol. 27, no. 20, : 2197–2200, (2015), DOI:10.1109/LPT.2015.2456133

[3] P. Steglich et al., “Design Optimization of Slot-Waveguides Covered with Organic Cladding Materials for Integrated Photonic Devices”, 2015, Berlin, 16. NWK, ISBN: 978-3-8305-2044-3, (2015): 192-198.

[4] P. Steglich et al., “Silicon-on-insulator slot-waveguide design trade-offs”, in PHOTOPTICS 2015, P. A. Ribeiro and M. Raposo, Eds., vol. 2. SCITEPRESS, 3 (2015): 47–52.,, DOI:10.3390/s120302436

Kontakt
Patrick Steglich
Faculty of Engineering and Natural Science-Photonik
Technische Hochschule Wildau
Wildau
patrick.steglich@th-wildau.de

Weitere Beiträge zum Thema: http://www.git-labor.de/

Autor(en)

Jetzt registrieren!

Die neusten Informationen direkt per Newsletter.

To prevent automated spam submissions leave this field empty.