Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

On-Chip kalibrierender Biosensor für kleine Analyten im Bereich POCT und Umweltanalytik

Forschungsziel dieses Projekts ist, einen multiparametrischen, immunochromatographischen Biosensor mit chipinterner Kalibrierung für die klinische Überwachung, die Ambulanz, Notfälle und die Selbstkontrolle des Patienten bis zu einem TRL 4 aufzubauen. Der Biosensor soll Analyten mit geringer Schwankungsbreite quantifizieren können und einfach anzuwenden und auszuwerten sein. Der geplante Lösungsweg basiert auf der engen Zusammenarbeit von Biochemikern, Mikrosystemtechnikern und Informatikern und beinhaltet einerseits die Optimierung und Verfeinerung erprobter Methoden aus dem Vorprojekt und andererseits Innovationen bezüglich der on-chip Kalibrierung, der Quantifizierung kleiner Analyten und der Messung kinetischer Parameter. Dazu sollen mit Hilfe einer Femtosekundenlaser-Anlage mindestens 6 Mikrofließkanäle in den Teststreifen strukturiert, Immobilisierungsmethoden erweitert, das Aufstockverfahren implementiert, ein Analyseverfahren zur Messung niedermolekularer Biomoleküle entwickelt und eine zeitaufgelöste Messung mit kommerziellen Smartphones umgesetzt werden. Als Ergebnisse des Anschlussprojektes werden weitreichende Erkenntnisse über Strukturierungsmethoden von Cellulosenitrat-Membran-Materialien, Möglichkeiten der Steuerung von Fließgeschwindigkeiten, die Umsetzung von innovativen Lateral Flow Assays und die Nutzbarkeit von Smartphones zur Aufnahme, Auswertung und Weiterleitung der Analyseergebnisse erwartet. Der wirtschaftliche Nutzen für KMUs besteht in der Vermarktung von Einzel- oder Gesamtkomponenten zur Steigerung ihrer Wettbewerbsfähigkeit und zur Erweiterung bestehender Geschäftsfelder auf die zukünftige Krankheitsdiagnostik und den Bereich „Anywhere Care“ sowie auf die Wasserkontrolle, den Freizeit- und den „Citizen Science“-Bereich. Damit wird das Projekt Innovationspotential für mehrere Wirtschaftszweige liefern und einen Beitrag zur Erreichung gesellschaftlicher Ziele in der Gesundheit, Ernährung und Sicherheit leisten.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde erfolgreich ein Lateral Flow Test für Amitriptylin auf Basis eines Bindungshemmtests mit definierter Inkubationszeit und daraus resultierend einer quantitativen Auswertung über das Aufstockverfahren entwickelt. Zunächst wurden dafür kommerziell erhältliche Detektionsantikörper einer biomolekulare Interaktionsanalyse unterzogen. Der als am besten geeignet identifizierte Antikörper wurde mittels UV-Aktivierung mit Goldnanopartikeln markiert. Für die Realisierung des Bindungshemmtests auf den Nitrozelluloseteststreifen mussten alle Bestandteile optimiert werden: Für die Mehrkanalstrukturierung mittels fs-Laserabtragung wurde eine Füllstrategie für eine zuverlässige Dichtheit der Kanalwände entwickelt. Untersuchungen der Fließgeschwindigkeit ermöglichten die Wahl der optimalen Kanalbreite. Die Analyse der laserbasierten Abtragung der Nitrocellulose lieferten neue Erkenntnisse zu Ablations- und Explosionsschwelle. Durch einen Test auf Kreuzreaktivität wurde die Eignung des ausgewählten Antikörpers zur Bestimmung der Summenkonzentration von strukturähnlichen Antidepressiva nachgewiesen, was eine wirkungsbezogene Analytik erlaubt. Kalibrierungen in Puffer und verdünntem Serum zeigten, dass die für Patientenproben erforderliche Nachweisgrenze erreicht wird. Für eine definierte Inkubationszeit wurde eine optisch steuerbare Barriere mittels Licht-empfindlicher Tenside (DASA) entwickelt. Die Auslesung des Teststreifens erfolgte über eine Smartphone App. Es wurde eine Auswertesoftware entwickelt, die den Biosensor erkennt, eine Beleuchtungskorrektur durchführt, die Testzone auswählt und die Farbintensität der Testzone bestimmt. Außerdem wurde ein anwenderfreundliches User Interface entwickelt, das Schritt für Schritt durch die Durchführung des Tests leitet.

Anwendungsmöglichkeiten: Einfacher, kostengünstiger Test für Jedermann zur quantitativen Bestimmung von Antidepressiva und anderen kleinen Analyten in Blut und anderen Flüssigkeiten.