Einzelmoleküldetektion mit einem Großtransistor verschafft einem Kliniker den Vorteil eines Angreifers

Biomarker werden zum bevorzugten Mittel der Frühdiagnose von fortschreitenden Krankheiten wie Tumoren oder neurodegenerativen Syndromen. Bei Infektionskrankheiten ist der immunometrische Direktnachweis eines Erregers (anstelle seiner DNA) ein schnellerer Weg, da er keine Probenvorbehandlung erfordert. Die Möglichkeit, einen Marker (Proteine, genomische Stränge sowie ganze Viren oder Bakterien) in einer peripheren Bioflüssigkeit wie Blut oder sogar Speichel nachzuweisen, macht das Verfahren auch minimal invasiv. Je früher der Nachweis erfolgt, desto früher wird die Diagnose gestellt, und desto einfacher ist es für den Arzt, eine Krankheit zu bekämpfen. Heutzutage gibt es die Möglichkeit, einen einzelnen Strang eines mutierten Gens für die Frühdiagnose von Tumoren oder eine einzelne Kopie einer viralen DNA nachzuweisen. Ein kommerzielles System, das zuverlässig ein einzelnes Protein in einer Probe von 0,1 ml einer echten Bioflüssigkeit nachweisen kann, ist jedoch noch nicht verfügbar.

Prof. Torsi hat mit ihrer Gruppe im Jahr 2018 Pionierarbeit auf dem Gebiet der Einzelmoleküldetektion mit einem großen Transistor – SiMoT – geleistet. Damit wurde damals ein Weltrekord für den Nachweis von Proteinen direkt in einer Probe von ganzem Rinderserum aufgestellt. Die SiMoT-Plattform ist ein bioelektronisches System, das ein einzelnes Protein oder einen genomischen Marker in 0,1 ml echter, nicht vorbehandelter Blut- oder Speichelproben nachweisen kann. Das System, das auch im Rahmen eines von Torsi koordinierten EU-Verbundprojekts (https://simbit-h2020.eu) entwickelt wird, kann kostengünstig als Handheld-Gerät hergestellt werden. Angestrebt wird die Entwicklung ultraempfindlicher, schneller (15-20 Minuten), kostengünstiger und hochzuverlässiger Diagnosesysteme für die Früherkennung fortschreitender Krankheiten wie Tumor- (z.B. Bauchspeicheldrüse) sowie viraler (z.B. SARS-CoV-2) und bakterieller (z.B. Xylella fastidiosa) Infektionen. Ein solches System hat das Potenzial, das derzeitige Konzept der Point-of-Care-Tests zu revolutionieren, das in Bezug auf Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit an seine Grenzen stößt. In Zukunft sollen hochempfindliche Marker und Krankheitserreger dort nachgewiesen werden, wo sie gebraucht werden, nämlich in der Arztpraxis, in der Apotheke oder sogar beim Patienten zu Hause oder direkt auf einem Olivenbaumfeld.

Gottfried Strasser, Technische Universität Wien

Sensorik mit monolithisch integrierten Quantenkaskadenbauelementen

Seit ihrer Einführung wurden Quantenkaskadenlaser (QCLs) – basierend auf Intrabandübergängen in Quantentöpfen (englisch: quantum wells) – hinsichtlich Bandstruktur-Engineering, Hohlraumdesign und Fertigung intensiv untersucht. Heute sind QC-Laser kompakte, kohärente Lichtquellen, die den mittleren Infrarot- bis Terahertz-Bereich abdecken.

Photonische Bauelemente finden breite Anwendung in der Umwelt- und industriellen Prozesssteuerung sowie in der medizinischen und biochemischen Diagnostik. Herkömmliche optische Sensoren erfordern separate Lichtquellen, Interaktionsbereiche und Detektoren. Prof. Strasser stellt ein fortschrittliches Sensorkonzept vor, das eine bifunktionale Quantenkaskaden-Heterostruktur verwendet und die Unterscheidung zwischen Laser und Detektor aufhebt. Dieser Ansatz bietet nicht nur Einblicke in die Licht-Materie-Wechselwirkung, sondern ermöglicht auch die gegenseitige Kommutierung zwischen Laser und Detektor, was Fernerkundungsaufbauten vereinfacht und die für integrierte Sensorgeräte entscheidende Miniaturisierung erleichtert.

Herbert Gold, Joanneum Research Graz

Ferroelektrische Bauelemente und organische Elektronik integriert für Sensoranwendungen 

Organische Elektronik eignet sich hervorragend für Anwendungen, die einfache Schaltungen auf flexiblen und/oder großflächigen Substraten erfordern. Das erste vorgestellte Gerät, ein großflächiger aktiver Matrix-Sensor aus ferroelektrischem Polymer, verfügt über P(VDF-TrFE)-Energiewandler, die monolithisch mit organischen Dünnschichttransistoren (OTFTs) auf einer 12 cm breiten Polymerfolie integriert sind. Es kann in nur sieben industriell skalierbaren Schritten hergestellt werden und könnte beispielsweise in Sicherheitsanwendungen der Robotik eingesetzt werden, da es über eine ortsaufgelöste Sensorik verfügt und Bewegungen einer menschlichen Hand in einer Entfernung von 20 cm erkennen kann.

Das zweite Gerät nutzt ferroelektrische Wandler auf einem 1 µm dicken, 2 mg schweren Parylen-Substrat. Wenn es am Hals auf die Haut aufgebracht und mit einem 5,6 g schweren Funkmodul gekoppelt wird, misst es präzise Pulswellen, den Augmentationsindex, den Blutdruck und die Herzfrequenz und bildet so ein kaum wahrnehmbares E-Health-Pflaster. In Verbindung mit einem Gleichrichter und einem Speicherkondensator fungieren dieselben Wandler als piezoelektrischer Nanogenerator, der 0,25 mW/cm³ liefert – was in Zukunft möglicherweise eine stündliche Datenübertragung in energieautarken E-Health-Systemen ermöglicht, vorbehaltlich weiterer Validierungen.

Serpil Tekoglu, Johannes Kepler Universität Linz

DNA als Funktionsmaterial in der organischen und Bioelektronik

Das rasante Wachstum der Elektronikindustrie hat die Umweltbelastung durch Elektronikschrott verstärkt. Biologisch abbaubare natürliche Materialien wie DNA bieten eine nachhaltige Alternative für photonische und elektronische Anwendungen. Seit den 2000er Jahren werden DNA, DNA-Lipid-Komplexe und Nukleobasen in organische Feldeffekttransistoren, Speicherelemente und organische Leuchtdioden integriert, wodurch die „grüne“ organische Elektronik vorangetrieben wird. Im Jahr 2020 wurde DNA erstmals als fester Polymerelektrolyt in organischen lichtemittierenden elektrochemischen Zellen eingesetzt.

Die Bioelektronik, ein aufstrebendes Gebiet an der Schnittstelle zwischen organischer Elektronik und Biologie, nutzt die Fähigkeit dieser Materialien, sowohl Ionen als auch Elektronen zu leiten, was eine verbesserte Kommunikation mit biologischen Systemen ermöglicht. DNA als natürlicher Polyelektrolyt kombiniert Ionenleitfähigkeit mit den mechanischen Eigenschaften von Weichkunststoffen und eignet sich daher ideal für Wandler, die die Ionenleitung in elektrische Signale mit einer messbaren Rate umwandeln. Jüngste Arbeiten an der Johannes Kepler Universität Linz haben leitfähige Polymer-Biokomposite unter Verwendung von DNA als effektive Gegenionen in Anwendungen wie organischen elektrochemischen Transistoren demonstriert und damit ihr Potenzial für die zukünftige Bioelektronik hervorgehoben.