Metaoberflächen Ein ultradünner Chip für frühzeitige Herzinfarktdiagnosen

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Ein Forschungsteam der John Hopkins Universität hat einen nanostrukturierten Miniatur-Chip für schnelle Blutuntersuchungen entwickelt. Dieser „Plasmonische Metaoberflächen-Chip“ sei in der Lage, blitzschnell diverse Infektionen und Biomarker zu identifizieren – bis hin zu den frühesten Anzeichen eines Herzinfarkts.

So genannte Metaoberflächen gelten als eine Schlüsseltechnologie für flexible optische Schaltkreise und ultradünne Optiken. Ihre Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder (Permittivität und Permeabilität) weicht von der ab, die in der Natur üblich ist. Solche Metaoberflächen sind kompliziert in der Produktion, versprechen aber deutlich effizientere und miniaturisierte optische Halbleiter.

Forscher der US-Amerikanischen John Hopkins Universität haben nun einen Chip mit einer solchen Metaoberfläche entwickelt, der die Diagnose verschiedener Erkrankungen und Infektionen erheblich beschleunigen soll. Die erste Anwendung für den resultierenden „Plasmonischen Metaoberflächen-Chip“ ist die Diagnose von Herzinfarkten mittels oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (surface enhanced Raman spectroscopy, SERS). Diese laserbasierte Technik kann empfindliche Biomarker im Blut aufspüren, die einen Herzinfarkt viel schneller anzeigen als die bisherigen Verfahren. Sie kann auch zum Nachweis anderer Biomarker verwendet werden.

„Herzinfarkte erfordern ein sofortiges medizinisches Eingreifen, um die Lebensqualität der Patienten zu verbessern. Eine frühzeitige Diagnose ist zwar von entscheidender Bedeutung, kann aber auch eine große Herausforderung darstellen – und außerhalb eines klinischen Umfelds nahezu unmöglich sein“, erklärt der Forscher Peng Zheng, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Johns Hopkins University. „Wir konnten eine neue Technologie entwickeln, mit der sich schnell und präzise feststellen lässt, ob jemand einen Herzinfarkt hat.“

Die entwickelte Metaoberfläche verwendet Strukturen unterhalb der Wellenlänge, die aus abwechselnd gestapelten Gold- und Siliziumdioxidatomen in einer Pyramide bestehen. Diese verstärken gleichzeitig elektrische und magnetische Felder, um räumlich ausgedehnte und schwach wellenlängenabhängige SERS zu ermöglichen. Die Strukturen lassen sich modifizieren, um Infektionskrankheiten und Krebs-Biomarker zu erkennen.

„Enormes Potenzial ohne Einschränkungen“

Finite-Difference-Time-Domain (FDTD)-Simulationen zeigten die räumlich ausgedehnte und schwach wellenlängenabhängige SERS-Verstärkung. Durch 3D-Druck wurde der Proof-of-Concept-Chip für den Multiplex-Nachweis einer Reihe von Serum-Biomarkern für den akuten Myokardinfarkt hergestellt.

Das Frequenzverschiebungs-SERS-Multiplexing könnte neue Möglichkeiten für die Entwicklung quantitativer optischer Verfahren für Anwendungen in Chemie, Biologie und Medizin eröffnen. „Wir sprechen von Geschwindigkeit, wir sprechen von Genauigkeit und wir sprechen von der Möglichkeit, Messungen außerhalb eines Krankenhauses durchzuführen“, sagte Prof. Ishan Barman von der Fakultät für Maschinenbau. „Wir hoffen, dass dies in Zukunft in ein tragbares Instrument umgewandelt werden kann, in das man einen Tropfen Blut gibt, und dann, voilà, in ein paar Sekunden hat man den Nachweis. „Es gibt ein enormes kommerzielles Potenzial und es gibt nichts, was diese Plattformtechnologie einschränkt.“

Das Team plant nun, den Bluttest zu verfeinern und größere klinische Studien zu erproben. Die Machbarkeitsstudie über den plasmonischen Metasurface-Chip wurde in der aktuellsten Ausgabe des Fachblatts Advanced Science veröffentlicht.

Dieser Artikel ist zuerst erschienen auf unserem Partnerportal www.elektronikpraxis.de.

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