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Kostengünstige und hochentwickelte optische Technologie mit breitem Anwendungsgebiet

Wissenschaftler haben eine neuartige optische Chiplabor-Plattform entwickelt, um mit hoher Empfindlichkeit Konformationsänderungen in DNA nachweisen soll. Diese unterstützende Technologie wird obendrein breite Anwendung in zahlreichen Teilgebieten der Optik finden.
Kostengünstige und hochentwickelte optische Technologie mit breitem Anwendungsgebiet
Die Interpretation des DNA-Codes einschließlich kodierter Proteine und der zeitlichen Abstimmung der Expression hängt von der Wechselwirkung der DNA mit anderen Molekülen in Bezug auf Details ihrer Struktur ab. Die Suche nach einem markierungsfreien Weg zur Untersuchung der physikalischen Dynamik der DNA gab den Anstoß zur Entwicklung der Technologie im Kontext des EU-finanzierten Projekts "DNA sensor in polymer photonic crystal band-edge lasers with integrated nanochannels" (DNA-DAR).

Die Wissenschaftler erschufen eins polymerbasierte mikrofluidische Lab-on-a-Chip-Plattform, die zwei innovative und höchst sensitive optische Verfahren ausnutzt, die mit fluidischen Nanokanälen vereinbar ist. Das erste beruht auf photonischen Kristallen, neuartigen periodischen Bandlückenstrukturen, welche die Ausbreitung bestimmter Frequenzen des Lichts verhindern und damit eine ausgezeichnete Steuerung und Effekte ermöglichen, die mit der herkömmlichen Optik nicht möglich sind. Das zweite Verfahren nutzt plasmonische V-Nuten, v-förmige Wellenleiter mit neuartigen optischen Eigenschaften.

Die Nanokanäle wurden aus plasmonischen V-Nuten gebildet und mittels kostengünstiger Nanoimprintlithographie hergestellt. Diese V-Nuten ermöglichten im Folgenden die Untersuchung biologischer Moleküle, sowohl deren Eingrenzung als auch das Bewirken von Konformationsänderungen. So offenbarten sich Details, die andernfalls nur schwer zu beobachten sind, während optische Effekte erzeugt wurden, welche erheblich die Nachweisempfindlichkeit verbesserten.

Die DNA-DAR-Forscher setzten photonische Kristalle zur Überwachung kleiner Veränderungen im Brechungsindex im Zusammenhang mit den DNA-Molekülen ein, wenn diese die Nanokanäle passierten. Zwei wichtige technische Fortschritte trugen zur starken Erhöhung der Empfindlichkeit der photonischen Kristalle bei. Zum einen ein dünner Film mit hohem Brechungsindex und zum anderen ein aufquellender Polymerfilm, der den Nachweis von Gasen und niedrigen Partikelkonzentrationen gleichermaßen gestattet.

Auch wenn der anfängliche Schwerpunkt von DNA-DAR in der Erfassung von Biomolekülen für Grundlagenforschung, Diagnostik, Forensik und weitere Anwendungen bestand, ist die entwickelte neuartige optische Lab-on-a-Chip-Technologie in zahlreichen anderen Bereichen anwendbar. Dazu zählen optische Netzwerke, Innenbeleuchtung und Überkopfanzeigen (Heads-Up-Display, HUD). Die Resultate haben andere Forschungsprojekte nach sich gezogen, die eine ständige Weiterentwicklung und Anwendung der in DNA-DAR bearbeiteten Konzepte versprechen.

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