Ziel der Entwicklung

Ziel war die marktorientierte Entwicklung eines Fluoreszenzsensors als OEM-Komponente für Readersysteme, zum Beispiel für Analysen an Mikrotiterplatten. Die marktrelevanten Einsatzparameter und Nachweisgrenzen waren zu ermitteln und das geplante Sensorsystem entsprechend darauf auszulegen. Grundsätzliches Merkmal der neu zu entwickelnden Fluoreszenzsensoren war, statt der der üblichen LED-basierten Sensoren, als Lichtemitter einen Laser einzusetzen. Da mit einfachen Laserdioden die marktrelevanten Zielwellenlängen nicht bereitgestellt werden konnten, sollte ein komplexes Lasersystem integriert werden.
Zielparameter des Sensors:
- Vollständige Integration eines frequenzverdoppelten DPSS Lasers
- Bauvolumen inkl. sensornaher Elektronik-Komponenten < 1 cm3
- zentraler Emitter
- integrierte Bandpassfilter
- Nachweis von Fluorophoren, zum Beispiel Rodamin, mit Konzentrationen < 10-9 mol / Liter
über neue Technologien zu Signalfilterungen sollten, trotz voranscheitender Integration, die Detektionsgrenzen von hybriden Systemen, das heißt externe Laserquelle und Si-Photodioden als Detektorelement, weitgehend beibehalten werden.

Vorteile und Lösungen

Es wurden die folgenden Systemparameter realisiert:
Sensor (LaserMSens):
- 4 kanaliger Fluoreszenzsensor mit integriertem Vorverstärker
- Integrierter Bandpass mit Anregung/signalunterdrückung besser 1:10000
- Nachweisgrenze Photodioden für Fluoreszenzsignal besser 100 pW
- Anregungslichtleistung am Ausgang 5mW @ 532 nm gepulst (oder wahlweise 30 mW@ 405 nm cw)
- Bauvolumen ca. 1 cm3
Sensor (Fasergekoppelter Testsensor):
- Detektionsseite und Bauvolumen wir oben
- Faseranschluss für externe Lichtquelle (Glasfaser, wahlweise Singlemode/Multimode SMA oder FC-Stecker)
- Variable Strahlkollimierung mit integrierte f = 1 mm Fokuslinse
Angepasstes Evaluationboard :
- 4x Laserdiodenansteuerung mit variablem Strom (8 bit) und Polaritätsumschaltung
- 24 bit 8 Kanal Analog-Digital Konverter für Fluoreszenzsignal
- 2x 16 bit DA 0…4,095 V
- 8x 500 mA DA als Leistungsstufe
- Anschlussmöglichkeit von zwei Schrittmotoren bis 0,5 A Strangstrom
- bis 500 mA USB Powered oder 9..12 V Input
- Softwaresteuerung über Windows Applikationsprogramm, Labview oder Textcode Demonstrationssystem (2D-Titerplattenscanner)
- 2D-Scansystem mit 190 mm x 150 mm x 50 mm Gerätemaß
- Verfahrbereich von 130 mm x 80 mm
- 100 µm Positionierauflösung
- Variables Sensorausstattung mit LaserMSens
- Kompatibilität zu Evaluierungsboard und Software
- Inkubatortauglich
Die erreichten Ergebnisse stehen in Form eines Evaluationssystems für Kunden zur Verfügung. Hauptvorteil für den Kunden ist dabei, dass erstmals eine für Fluoreszenzdetektion optimierte Sensorkomponente mit integriertem Laser in einem kompakten System verfügbar ist. Diese ist in der Baugröße gegenüber hybrider Zusammenstellung um mehr als eine Größenordnung verkleinert und von der Preisgestaltung deutlich unterhalb des sonst üblichen Systempreises.
Essenziell für den Erfolg einer Produktentwicklung ist außerdem, dass durch die Zusammenfassung von Laser, Detektor Filter und Elektronik eine als Gesamtsystem spezifizierte und integrierbare OEM Komponente vorliegt, die keine zusätzliche Systementwicklungskosten entstehen lasst.

Zielgruppe und Zielmarkt

Für LaserMSens sind die Hersteller von Bioanalytikgeräten die Zielgruppe. Insbesondere die Möglichkeit der Integration des preiswerten, kompakten Sensors in portable Handgeräte oder in spezialisierte Tischgeräte, ermöglicht den Zugang zu neuen Marktsegmenten abseits der Labordiagnostik. Das CiS Forschungsinstitut sieht die Erfolgsaussichten zur Verwertung des LaserMSens-Projektes im Folgenden:
- dem Einsatz in LaserMSens Sensoren in der Bioanalytik vorzugsweise in Handheld und Point of Care-Diagnostik
- der Erschließung neuer Applikationen und Anwendungsfelder im Rahmen von FuE sowie Projekt- und Transferarbeit,
- der Realisierung von Industrie-Aufträgen zu LaserMSens-Adaptionen für Kunden-/ Anwendungsspezifischen Einsatz in verschiedenen Marktsegmenten
Auf Basis des entwickelten Demonstratorsystems wird der Einstieg in neue Anwendungsfelder und neue Kunden erleichtert. Durch die Möglichkeit das System anwendungsspezifisch anzupassen, können daraus neue Lösungen und Produkte entwickelt werden.