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Lab-on-a-Chip Chemomechanische Schaltkreise rationalisieren den Analysealltag

| Autor/ Redakteur: Andreas Richter* / Marc Platthaus

Plastik-Schaltkreise mit tausenden aktiven Bauelementen aus „smarten“ Kunststoffen, die statt elektronischer Information chemische Information verarbeiten, könnten schon bald die Routineanalyse verändern und die Entwicklung von Lab-on-a-Chip-Systemen vereinfachen. Sie können in sehr kurzer Zeit eine Vielzahl von Untersuchungen durchführen.

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Abb.1: Mikrochemomechanischer Schaltkreis mit 2096 aktiven Bauelementen. Er besteht aus insgesamt 192 seriell geschalteten Kaskaden, mit denen er über maximal acht Tage eigenständig alle zwei Stunden je eine Probe analysieren kann (z.B. zur Bioreaktionskontrolle).
Abb.1: Mikrochemomechanischer Schaltkreis mit 2096 aktiven Bauelementen. Er besteht aus insgesamt 192 seriell geschalteten Kaskaden, mit denen er über maximal acht Tage eigenständig alle zwei Stunden je eine Probe analysieren kann (z.B. zur Bioreaktionskontrolle).
(Bild: Technische Unviersität Dresden)

Anfang der neunziger Jahre entstand das Konzept mikrofluidischer Schaltkreise (integrated circuits ICs), der so genannten Chip-Labore oder Labs-on-a-Chip (LOC). Sie sollten die tägliche Laborarbeit ähnlich revolutionär wie die Mikroelektronik-ICs die Datenverarbeitung verändern.

Im Jahr 2010 musste George Whitesides allerdings ernüchtert feststellen, dass trotz intensiver internationaler Forschung die Proliferation der kommerziellen Lab-on-a-Chip-Technologie bislang noch nicht stattfand [1]. Die Ursachen werden gegenwärtig kontrovers diskutiert. Tatsache ist, dass es nicht gelang, in effizienter Weise großintegrierte Schaltkreise zu realisieren, die mit der Leistung von tausenden Bauelementen Laboraufgaben viel schneller, zuverlässiger und effizienter zu lösen vermögen als der Mensch.

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Konzept mikrochemomechanischer Schaltkreise

Auf der Suche nach den Ursachen des ausbleibenden Lab-on-a-Chip-Erfolges eruierten die Wissenschaftler die konzeptionell-technologischen Erfolgsfaktoren der Mikroelektronik-ICs – und fanden verblüffend einfache, in die Mikrofluidik übertragbare Antworten, welche die Grundlage des Konzepts mikrochemomechanischer integrierter Schaltkreise (chemICs) [2] bilden.

Diese ICs basieren wie die mikroelektronischen Schaltkreise auf intrinsisch aktiven Materialien. Nur kommen bei ihnen keine elektronischen Halbleitermaterialien wie Silicium, sondern Materialien mit besonderen sensorischen und aktorischen Eigenschaften zum Einsatz, die phasenveränderlichen Polymere.

Die Chips bestehen aus übereinander gelagerten mikrostrukturierten Schichten verschiedener phasenveränderlicher Polymere, welche die Bauelemente formen. In der Mikroelektronik ist dieser Schaltkreis-Schichtaufbau der Grund, dass man heute ungeheuer leistungsfähige Mikroprozessoren mit mehr als zwei Milliarden Bauelementen herstellen kann, denn mit immer weiter verbesserten Fertigungsverfahren lassen sich immer mehr Bauelemente auf den Chips platzieren. Diese so genannte Skalierung kann man nun auch für die mikrochemomechanischen ICs in der Mikrofluidik erwarten.

Darüber hinaus verfügen chemICs über Bauelemente mit Entscheidungsfunktionalität gegenüber chemischer Information. Derartige Schaltkreiskomponenten fehlten in der Mikrofluidik bislang komplett. Mit ihnen lassen sich integrierte Schaltkreise realisieren, die (a) chemische Steuerinformationen und/oder (b) chemische Daten aktiv und direkt auf dem Chip verarbeiten.

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