Einzelne Zellen auf dem Präsentierteller

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.06.2017

Je mehr Tumorzellen sich im Blut auf Wanderschaft befinden, desto größer die Gefahr einer Metastasenbildung. Im Blut zirkulierende Tumorzellen sind ein wichtiger Indikator dafür, ob und wie eine Therapie wirkt. Fraunhofer-Forscher haben jetzt einen Mikrolochchip entwickelt, der eine zuverlässige Identifizierung und Charakterisierung der Zellen ermöglicht – und das innerhalb von nur wenigen Minuten.

Mit dem herkömmlichen Analyseverfahren FACS (fluorescence-activated cell sorting) lässt sich die Anzahl der im Blut zirkulierenden Tumorzellen nur grob bestimmen. »Bei FACS werden die Zellen farblich markiert, sortiert und in verschiedenen Behältern gesammelt«, erklärt Dr. Thomas Velten, dessen Team den neuen Mikrolochchip am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT entwickelt hat. Das Problem: Die Anzahl der Farben für die Markierung ist begrenzt. »Irgendwann überlappen sie sich und man kann sie nicht mehr voneinander unterscheiden. Außerdem gibt es nicht für alle Tumorzellen gute Marker, daher werden sie mit FACS nicht erfasst.« Weiterhin lässt sich beim FACS ein Messergebnis nicht eindeutig einer bestimmten Zelle zuordnen, da der Auffangbehälter Tausende von Zellen enthält.

Zellen werden mit Unterdruck fixiert

»Mit unserem neuen Mikrolochchip lassen sich die Zellen aus der Probe problemlos ›einfangen‹, für eine anschließende Analyse einzeln positionieren und nach der Analyse auch einzeln entnehmen. Denn hier liegen die Zellen geordnet nebeneinander wie auf einem Präsentierteller. Jede Zelle sitzt auf einem Loch, kann aber nicht durchrutschen. Sie wird von einem leichten Unterdruck angesaugt und fixiert«, so Velten.

In einem gerade zu Ende gegangenen Verbundprojekt zur Identifikation zirkulierender Tumorzellen erfolgte die Zellanalyse in zwei Schritten: Zunächst wurden verdächtige Zellen mit Hilfe eines Mikroskops ausgewählt. Dann wurden sie mit der zeitaufwändigeren Methode der Raman-Spektroskopie eingehend untersucht. Dabei werden die Zellen mit dem Licht eines bestimmten Frequenzbereichs bestrahlt; anhand der Streuung lassen sich Tumorzellen sicher identifizieren. Mit dem neuen IBMT-Chip aus Siliziumnitrid ist das kein Problem – mit Chips aus Glas oder Kunststoff unmöglich, da die Materialien die ramanspektroskopische Messung stören.

Chip bietet Platz für 200 000 Zellen

Ein weiterer Vorteil des neuen Mikrolochchips: Er bietet Platz für 200 000 Zellen, die innerhalb von wenigen Minuten auf ihr Loch rutschen. »Nur wenn die Probe groß genug ist, kann man zirkulierende Tumorzellen überhaupt finden, weil sie im Blut in nur sehr kleiner Menge vorkommen. Ältere Chips haben rund 1000 Löcher. Das ist für diese Anwendung zu wenig«, erläutert Velten.

Die Tumorzellen auf dem Chip können mit einer Mikropipette einzeln entnommen und weiter untersucht werden. Denn der Unterdruck ist so gewählt, dass er die Zellen zwar festhält, aber nicht beschädigt. Eine molekularbiologische Analyse kann helfen Hinweise zu finden, warum ein Medikament bei den Tumorzellen gewirkt oder versagt hat.

Für den neuen Mikrolochchip sind auch zahlreiche andere Anwendungen denkbar, beispielsweise als Selektionssystem für Protein-produzierende Zellen, die für die Produktion von Biopharmazeutika wie Insulin notwendig sind. Zudem lassen sich Mikrochips mit exakt definierten Mikroporen als Substrate für In-vitro-Modelle von physiologischen Barrieren wie die Blut-Hirn-Schranke oder die Darmbarriere verwenden. Solche Barrieremodelle sind für die Entwicklung von Medikamenten außerordentlich interessant.

Der nächste Schritt ist es, Partner für die Adaptierung der Technologieplattform an verschiedene Anwendungen zu finden.

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Drahtlose Sensor-Systeme sorgen für Nachschub bei Seife & Co

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.03.2017

Waschräume gehören zu den wartungsintensivsten Räumen in Unternehmen. Eine neue Fraunhofer-Technik sorgt nun dafür, dass der Füllstand von Seifenspendern, Handtuchrollen oder Toilettenpapierhaltern vollautomatisch überwacht und an das Reinigungspersonal gemeldet wird. Im Zentrum des »CWS Washroom Information Service« stehen dabei Sensoren und eine raffinierte Funktechnik.

»In Waschraum 17 im dritten Stock gehen die Handtücher zur Neige, in Waschraum 21 im vierten Stock ist die Seife aufgebraucht und in 26 wird Toilettenpapier knapp.« Mit solchen Informationen schon vorab ausgestattet können Mitarbeiter des Reinigungspersonals in Zukunft ihre Rundgänge besser planen und deutlich effizienter arbeiten. Denn Waschräume gehören zu den wartungsintensivsten Räumen in Gebäuden. Neben der Reinigung müssen Seife, Handtücher und Toilettenpapier regelmäßig nachgefüllt werden. Genau dafür hat das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS eine Lösung entwickelt. Gemeinsam mit dem Fullservice-Anbieter CWS-boco International GmbH entstand das System »CWS Washroom Information Service«, das den Wartungsaufwand deutlich reduziert. Federführend ist Prof. Dr. Thomas Wieland, Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums für Drahtlose Sensorik in Coburg. Neben der Sensortechnik steuern die Fraunhofer-Wissenschaftler auch ein Funksystem zur Weitergabe der Daten bei. CWS-boco ist für das Design der jeweiligen Behälter- und Spendersysteme verantwortlich.

Am Anfang des »CWS Washroom Information Service« (WIS) stehen die Sensoren. Sie sind batteriebetrieben und überwachen jeweils den Füllstand von Seifenspendern, Handtuchrollen und Toilettenpapier. Dabei kommen unterschiedliche Messmethoden zum Einsatz. Beim Seifenspender etwa registriert ein optischer Sensor den Füllstand. Zusätzlich holt sich das Sensormodul die Daten des internen Zählers im Seifenspender, der jede abgegebene Portion registriert. Optische Systeme finden auch beim Toilettenpapier Verwendung, während beim Handtuchspender wieder die Portionszählung greift.

Funknetz konfiguriert sich selbst

Die auf diese Weise erhobenen Daten gehen dann über ein ausgeklügeltes Funksystem auf die Reise. Zunächst wandern sie über das stromsparende Bluetooth 4.0 LE (Low Energy) zur nächstgelegenen »Washroom Control Unit« (WCU). Diese agiert als Sammelstelle und Kommunikationsknoten. WCUs sind im ganzen Gebäude verteilt und untereinander vernetzt. Hier kommt die vom Fraunhofer IIS entwickelte Funktechnik s-net® zum Einsatz. Der Clou dabei: Das Funknetz konfiguriert sich selbst. Jede angeschlossene WCU entscheidet selbst, an welches Gerät sie die Daten weiterschickt. »Sollte ein Modul defekt sein oder aus anderen Gründen nicht angefunkt werden können, schickt die WCU ihre Daten an ein anderes Modul«, erklärt Fraunhofer-Experte Wieland. Störungen in der Funkstrecke oder ein Geräteausfall werden im Funknetz automatisch kompensiert. Wenn alle Daten gesammelt sind, sendet die letzte WCU in der Übertragungskette das gesamte Datenpaket ebenfalls via s-net® an ein Gateway, das meist an der Außenseite des Gebäudes angebracht ist.

Von da werden die Infos über Mobilfunk an den Server von CWS-boco International GmbH weitergeleitet. Eine visuelle Bedienoberfläche zeigt sie individuell für jeden Waschraum-Betreiber an. Der zuständige Schichtleiter kann die Waschraum-Infos als Schichtplan ausdrucken oder an die Tablet-PCs der Mitarbeiter schicken. Eine andere Möglichkeit wäre, dass ein Display im Eingangsbereich des Waschraums darstellt, was jeweils zu tun ist.

Feldtest startet 2017

Die Entwicklung des »CWS Washroom Information Service« ist inzwischen weitgehend abgeschlossen, bereits im ersten Quartal 2017 startet ein stufenweiser Feldtest mit einem Pilotkunden. CWS-boco vermarktet das System. Ein großer Vorteil der Lösung ist ihre Flexibilität. »Wir können neue Geräte mit jeweils eigenen Sensorsystemen integrieren. Vom Seifenspender über den Toilettenpapierspender bis zum Abfallbehälter lässt sich grundsätzlich jedes Produkt mit Sensoren ausstatten und ins System einbinden«, sagt Jens Einsiedler, Head of Business Digitalisation bei CWS-boco International GmbH.

Doch die Fraunhofer-Forscher denken nicht nur an Waschraum-Services. Das Sensorik-gestützte s-net® macht viele Anwendungen denkbar. »Das System ist ideal für alle Bereiche, in denen Sensorik-Daten gesammelt und weitergeleitet werden sollen«, erklärt Wieland. Denn das energieoptimierte s-net® ist wegen der Fähigkeit, sich selbst zu organisieren, nicht nur besonders zuverlässig. Die Sendefrequenz von 868 MHz besitzt gerade in verwinkelten Gebäuden gute Ausbreitungseigenschaften, da sie eine bessere Durchdringung von Wänden gewährleistet.

Die drahtlosen Sensorik-Netze mit dieser und anderen Funktechniken eignen sich beispielsweise in der Landwirtschaft zum Überwachen von Anbauflächen. In Städten könnten Sensorik-Netze die Wasserqualität von Flüssen prüfen. Bei Brücken und anderen Bauwerken kontrollieren Sensoren die Stabilität. Sogar im Bereich Gesundheit eröffnet die Technik neue Möglichkeiten. So ließen sich die Sensoren in Textilien integrieren und dann die Bewegungsabläufe des Patienten in einer Physiotherapie kontrollieren.

Weitere Anwendungen sind im Bereich Industrie 4.0 eine Option. Drahtlose Sensorik ist bestens geeignet, um Produktionsanlagen zu überwachen und den Status von Maschinen oder Werkstücken zu prüfen. Auf dieser Basis liefert das System alle für die Steuerung nötigen Daten. Daneben arbeiten Thomas Wieland und sein Team derzeit noch an einem bodenständigen, aber nicht weniger nützlichen Projekt: eine Füllstandsmessung der Müllbehälter in der Fußgängerzone von Reutlingen.

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Wenn Moleküle Nanotrommeln verstimmen

Presseaussendung der TU Wien vom 13.03.2017

Die Analyse kleinster Mengen von pharmazeutischen Proben ist für die Forschung und Synthese neuer Medikamente äußerst wichtig, stellt aber derzeit eine technische Herausforderung dar. Eine neue Infrarot-Messmethode, die an der TU Wien in Zusammenarbeit mit zwei Forschungsgruppen aus Kopenhagen entwickelte wurde, könnte Abhilfe schaffen.

Materialien für pharmazeutische Produkte sind ein teures Gut. Entsprechend vorsichtig geht man mit ihnen um, wenn es beispielsweise um die Synthese neuer Medikamente geht. Um die gewünschte Zusammensetzung auszutesten oder anzupassen, braucht es genaue Messinstrumente. Eine bisher gängige Messmethode ist Infrarotspektroskopie. Um die Probe aber überhaupt analysieren zu können, muss diese zunächst vorbereitet werden. Der pharmazeutische Stoff kann beispielsweise in einer wässrigen Lösung gelöst sein. Da aber Wasser einen hohen Absorptionsgrad des Lichts aufweist, ist eine genaue Messung schwierig. Alternativ wird das Material gefriergetrocknet oder in Pulverform vorbereitet, allerdings erfordern beide Varianten ca. 1 mg Material, was je nach Anwendung eine relativ große Menge darstellt.

Prof. Silvan Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien entwickelt gemeinsam mit zwei Forschungsgruppen von Dänemarks Technischer Universität und der Universität Kopenhagen eine neue Messmethode, die bereits mit winzigsten Proben Mengen genaue Messergebnisse liefert.

Vibration von Molekülen

„Eine hohe Fehlerquelle im Messprozess besteht in der Samplevorbereitung, weil damit direkt hantiert werden muss. Das begünstigt Verunreinigungen“, erklärt Prof. Schmid. In der von ihm mitentwickelten Messmethode wird Probenmaterial direkt aus einer Lösung eingebracht und anschließend in ein Aerosol umgewandelt. Durch das Aerosol können die enthaltenen Stoffe, die gemeinsam mit Luft transportiert werden, direkt in das Messinstrument geblasen werden – ohne händische Verunreinigungen zu riskieren. Im Messaufbau wird das Aerosol durch einen vibrierenden Luftfilter aus Siliziumnitrit geblasen und haftet dort an. „Unsere Methode basiert auf nanomechanischen Resonatoren. Man kann sich diese wie kleinste perforierte Trommeln vorstellen, die auch entsprechend vibrieren können“, erklärt Prof. Schmid.

Diese vibrierenden Filter sind etwa 1.000 mal dünner als ein Haar und etwa 500-1000 µm breit. Auf dem Filter werden zusätzlich Elektroden aufgebracht, um die Vibration der Filtertrommel zu messen. Anschließend wird ein Infrarotlaser auf den Filter ausgerichtet. Das Licht des Lasers regt eine molekulare Vibration des auf dem Filter adsorbierten Probenmaterials an, die die Trommel erwärmt und dadurch eine messbare Verstimmung erzeugt. Die Infrarotquelle kann entsprechend ihres Frequenzspektrums „durchgestimmt“ werden, was wiederum unterschiedliche Frequenzen in der Vibration der Moleküle erzeugt. Je nachdem in welcher Frequenz die Moleküle vibrieren, lässt sich eine Verstimmung des vibrierenden Filters feststellen. „Wir haben die Absorptions-Peaks bestimmter Medikamente, beispielsweise von Indometacin, mit unseren Messergebnissen verglichen, und diese stimmen überein. Unsere Methode benötigt dazu aber weniger als ein Millionstel des Probenmaterials das für Standard-Infrarotspektroskopie benötigt wird“, zeigt sich Prof. Schmid erfreut.

Nächster Schritt: Erhöhte Empfindlichkeit und industrielle Anwendbarkeit

Ein weiterer Schritt in Richtung realistischer Anwendbarkeit für die Industrie setzt Silvan Schmid mit der Fortsetzung seiner Forschungen. Momentan beschäftigt sich seine Gruppe u. a. mit der Optimierung der vibrierenden Filter, um die Empfindlichkeit noch weiter zu erhöhen. Dies würde es erlauben, die benötigte Menge Probenmaterial noch weiter zu verringern. (Christine Cimzar-Egger)

Originalpublikation:
M. Kurek et al.
Nanomechanical Infrared Spectroscopy with Vibrating Filters for Pharmaceutical Analysis.
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.201700052

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Ferninfrarote Spürnase

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 18.11.2016

An der Universität Innsbruck wird eine neue Technologie für die Analyse von Spurengasen entwickelt, die auf Terahertz-Spektroskopie basiert. Der Europäische Forschungsrat ERC unterstützt nun die Forscher um Roland Wester mit einem Proof of Concept Grant bei der Herstellung von Prototypen, parallel dazu werden Industriepartner gesucht. Durch den Einsatz von Ferninfrarotstrahlung wird das neue Gerät robust, flexibel und mobil.

Der Molekülphysiker Roland Wester hält zwei Spiegel aus Aluminium in der Hand. Sie werden das Herz des neuen Analysegeräts für den Nachweis von geringsten Mengen von Spurengasen bilden. In das Gerät wird Gas geleitet und trifft dort auf Ferninfrarotstrahlung einer bestimmten Frequenz. Absorbieren Gasmoleküle aufgrund ihrer Eigenschaften die Strahlung, kommt es zu einer Intensitätsänderung. Daraus kann das Gerät auf das Vorhandensein eines bestimmten Moleküls schließen. „Terahertz-Strahlung ist aus physikalischen Gründen sehr gut zum Nachweis bestimmter Moleküle wie des Hydroxyl-Radikals geeignet“, sagt Roland Wester vom Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik. „Die Schwierigkeit ist, dass Resonatoren, die zum empfindlichen Nachweis notwendig sind, für diese relativ langwellige Strahlung – die Wellenlänge entspricht ungefähr der Dicke eines Haares – nicht einfach herzustellen sind.“ Die Innsbrucker Forscher haben dafür jedoch einen gangbaren Weg gefunden, der auch noch ein kompaktes Design erlaubt.

Mobiles Analysegerät für Spurengase

Die Idee für das neue Analysegerät basiert auf Forschungen im Rahmen eines vom europäischen Forschungsrat ERC finanzierten Projekts zur Terahertz-Spektroskopie. Terahertz-Strahlung ist hochfrequenter als konventionelle Mikrowellen und wesentlich langwelliger als sichtbares Licht. Mit dem an der Universität Innsbruck vorhandenen Know-how werden nun unterstützt vom ERC in den nächsten 18 Monaten Prototypen gebaut. Die Geräte werden in einem Rack untergebracht und damit auch transportabel. Für den Einsatz in der Praxis und die weitere Miniaturisierung suchen die Forscher gemeinsam mit der Transferstelle der Universität Innsbruck nach Partnern aus der Industrie. Die Voraussetzungen dafür sind gut, denn die neue Technologie ist relativ einfach programmierbar und kann für unterschiedliche Molekültypen kalibriert werden. Auch ist der Ansatz aus physikalischen Gründen robuster als vergleichbare optische Konzepte. Mit dem mobilen Terahertz-Analysator könnten bald lokale Konzentrationen von Spurengasen in der Abluft industrieller Prozesse oder in der Atmosphäre gemessen werden.

Innovationsförderung des EU-Forschungsrats

Mit den Proof of Concept Grants hat der europäische Forschungsrat im Jahr 2011 eine Möglichkeit geschaffen, die kommerzielle Verwertung für die im Rahmen von ERC Grants entstandenen Ideen und Forschungsergebnisse zu fördern. Ziel ist es dabei, die Technologien soweit zu entwickeln, dass sie für Unternehmen oder Risikokapitalgeber interessant werden und so schließlich den Weg in den Markt finden.

Externer Link: www.uibk.ac.at

Die Quanten-Schnüffelnase

Presseaussendung der TU Wien vom 20.10.2016

Der Laser, der zugleich ein Detektor ist: An der TU Wien wurde ein mikroskopisch kleiner Sensor entwickelt, mit dem man gleichzeitig verschiedene Gase nachweisen kann.

Wir Menschen erschnüffeln unterschiedliche Gerüche und Düfte durch chemische Rezeptoren in unserer Nase. Doch für den technischen Nachweis von Gasen greift man gerne auf ganz andere Verfahren zurück, wie beispielsweise Infrarotlaser. Dabei wird ein Laserstrahl durch das Gas geschickt und am anderen Ende misst ein separater Detektor wie stark das Licht vom Gas abgeschwächt wurde. Ein winziger, neu entwickelter Sensor der TU Wien vereint nun beide Seiten in einem einzigen Bauteil: Dieselbe Mikrostruktur kann für das Aussenden und das Detektieren der Infrarotstrahlung verwendet werden.

Ringförmige Quantenkaskadenlaser

„Die Laser, die wir herstellen, haben mit gewöhnlichen Laser-Pointern nicht viel zu tun“, erklärt Rolf Szedlak vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien. „Wir bauen sogenannte Quantenkaskadenlaser. Sie bestehen aus einem ausgeklügelten Schichtsystem unterschiedlicher Materialien und emittieren Licht im Infrarotbereich.“

Wird an dieses Schichtsystem eine elektrische Spannung angelegt, wandern Elektronen durch den Laser. Durch eine passende Auswahl von Materialien und Schichtdicken verlieren die Elektronen immer ein bisschen Energie, wenn sie von einer Schicht in die nächste wechseln. Diese Energie wird in Form von Licht abgegeben – es entsteht ein Infrarot-Laserstrahl.

„Unsere Quantenkaskadenlaser sind ringförmig, mit einem Durchmesser von weniger als einem halben Millimeter“, sagt Prof. Gottfried Strasser, Leiter des Zentrums für Mikro- und Nanostrukturen an der TU Wien. „Seine geometrischen Eigenschaften tragen dazu bei, dass der Laser nur Licht einer ganz bestimmten, wohldefinieren Wellenlänge abstrahlt.“

„Für die chemische Analyse von Gasen ist das optimal, denn viele Gase absorbieren nur ganz bestimmte Anteile des Infrarotlichts“, sagt Prof. Bernhard Lendl vom Institut für Chemische Technologien und Analytik der TU Wien. Durch seinen individuellen Infrarot-„Fingerabdruck“ kann man ein Gas daher zuverlässig detektieren. Es wird lediglich ein Laser mit passender Wellenlänge benötigt sowie ein Detektor, der misst, wie viel Infrarotstrahlung vom Gas verschluckt wurde.

Der Laser, der auch detektiert

„Unsere Mikrostruktur besitzt den großen Vorteil, Laser und Detektor in einem zu sein“, erläutert Rolf Szedlak. Zwei konzentrische Quantenkaskaden-Ringe wurden dafür ineinander gepackt. Beide können (je nach Betriebsmodus) sowohl Licht aussenden als auch Licht detektieren – und zwar bei zwei leicht unterschiedlichen Wellenlängen. Ein Ring sendet Laserlicht aus, das durch das Gas geleitet und anschließend von einem Spiegel wieder zurückgeschickt wird. Der zweite Ring nimmt dieses reflektierte Licht auf und misst seine Stärke. Gleich darauf tauschen die beiden Ringe ihre Rollen und die nächste Messung kann durchgeführt werden.

Um diesen neuartigen Sensor zu testen, stellte sich das Forschungsteam der TU Wien eine besonders schwierige Aufgabe: Es galt, Isobuten und Isobotan zu unterscheiden – zwei Moleküle, die nicht nur zum Verwechseln ähnliche Namen, sondern auch sehr ähnliche chemische Eigenschaften aufweisen. Doch auch diese Probe bestanden die Mikro-Sensoren exzellent und die beiden Gase konnten zuverlässig identifiziert werden.

„Wenn Laser und Detektor vereint werden, hat das viele Vorteile“, erklärt Gottfried Strasser. „Auf diese Weise können extrem kompakte Sensoren gebaut werden. Denkbar ist sogar ein ganzes Array – sprich eine Anordnung vieler solcher Mikro-Sensoren – auf einem einzigen Chip unterzubringen und mit mehreren unterschiedlichen Wellenlängen gleichzeitig zu arbeiten.“ Anwendungsmöglichkeiten gibt es viele – etwa in der Umweltanalytik oder Medizin. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Rolf Szedlak et al., ACS Photonics, 2016, 3 (10). DOI: 10.1021/acsphotonics.6b00603

Externer Link: www.tuwien.ac.at