Photonische Biosensoren

Photonische Biosensoren - Entwicklung eines photonischen Biosensorsystems für die Analyse von Biomolekülen in Flüssigkeiten

© Fraunhofer IPMS
Photonischer Biosensor-Chip des Fraunhofer IPMS.

© Fraunhofer IPMS
On-Chip 1x7 Mikroring-Resonator-Biosensor-Chips auf einem 200-mm-Wafer.

Die Biosensorforschung erlebt derzeit bedeutende Fortschritte in Bereichen wie klinische Diagnostik, Pharmazeutika und personalisierte Medizin. Am Fraunhofer-Zentrum Erfurt entwickeln wir innovative, markierungsfreie Biosensorlösungen auf Basis photonisch integrierter Schaltungen (PICs) aus Siliziumnitrid (Si₃N₄). Diese Technologie ermöglicht den sensitiven und parallelen Nachweis zahlreicher Biomoleküle in flüssigen Medien.

Anwendungsfelder

Im Fokus stehen Anwendungen zur Frühdiagnostik, Krankheitsprävention und kontinuierlichen Gesundheitsüberwachung. Ein besonderes Augenmerk liegt auf dem Nachweis von Biomarkern für neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson – ein Schlüssel zur personalisierten Medizin der Zukunft.

Technologischer Ansatz: Integrierte photonische Biosensoren

Unsere Entwicklungen basieren auf verlustarmen, hochdichten Si₃N₄-Wellenleitern mit Mikroring-Resonatoren (μRR) als Sensorelemente. Die Kombination mit spezifischen Biofunktionalisierungs- und Antigen-Immobilisierungsstrategien ermöglicht:

Markierungsfreie Detektion
Hohe Sensitivität und Spezifität
Multiplexing-FähigkeitMiniaturisierung und Integration auf Chip-Ebene

Systemkomponenten

Die Forschungsarbeiten umfassen die vollständige Entwicklung und Integration aller notwendigen Module:

Photonische Si₃N₄-Wellenleiterplattform (200-mm-Si-Wafer)
Multiplex-fähige μRR-Biosensoren bei 1550 nm
Mikrofluidiksysteme inkl. Chip-basierter Fluidikzellen
Biofunktionalisierung und chemische Oberflächenmodifikation
Entwicklung neuartiger DNA-Sonden und Bindungsassays
Systemintegration und Validierung

Anwendung: Nachweis krankheitsrelevanter Biomarker

Ein zentraler Anwendungsfall ist der Nachweis von microRNAs (miRNAs), die als vielversprechende Biomarker für Krebs und neurodegenerative Erkrankungen gelten. Die photonischen Sensoren ermöglichen den parallelen, schnellen Nachweis mehrerer spezifischer miRNAs – eine effiziente und skalierbare Alternative zu etablierten Verfahren wie ELISA oder PCR, die in der Regel zeitaufwändig und kostenintensiv sind.

F&E-Angebot: Ihre Vorteile

Wir bieten umfassende Entwicklungskapazitäten im Bereich photonischer Biosensorik – vom Design bis zur Integration:

Technologische Alleinstellungsmerkmale:

Markierungsfrei, multiplexfähig, sensitiv, schnell
Skalierbar dank Wafer-Level-Fertigung
Miniaturisierung durch integrierte Photonik
Anwendungsspezifische Biofunktionalisierung
Regenerierbare Sensorchips zur Kostenreduktion

Anwendungsfelder

Biomedizinische Diagnostik und Point-of-Care-Lösungen
Umweltüberwachung und Pathogen-Nachweis
Spektroskopie, Quanten- und Kommunikationstechnologien

One-Stop-Shop für PIC-Sensorik:

Entwicklung und Umsetzung anwendungsspezifischer, siliziumbasierter Sensorkonzepte – von der Idee bis zum funktionalen Demonstrator.

Photonische Biosensoren