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Krankheiten besser verstehen

Erfolgsgeschichten

Für die Untersuchung von Eigenschaften kleinster Flüssigkeitsmengen – mit Anwendung beispielsweise in Chemie, Biologie und Medizin – besitzen spezielle sogenannte Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren (WGM-Resonatoren) mehrere Vorteile: Darunter zum Beispiel einen hohen Gütefaktor, geringe Strahlungsverluste sowie eine kontrollierte Modenkopplung mit Wellenleitern.

Messungen bei verschiedenen Frequenzen erlauben es, umfassende Informationen über die  untersuchenden Flüssigkeiten zu erhalten, die in einigen Fällen eine eindeutige Identifizierung ermöglichen.

Einer Kooperation zwischen dem Institut für Bio- und Nanosysteme der Abteilung für Elektromagnetische Sensorik des Forschungszentrums Jülich und dem Institut für Radiophysik und Elektronik der Nationalen Akademie der Wissenschaften der Ukraine in Charkiw befasste sich mit der Entwicklung spezieller Konstruktionen von WGM-Resonator-Arrays sowie neuer in mehreren Frequenzbereichen arbeitenden Messverfahren.

Vergleich von Messungen

So erlaubt eine besondere Anordnung gleichzeitiger Messungen an mehreren Testflüssigkeiten sowie Messungen an einer Testflüssigkeit im direkten Vergleich zu einer Referenzflüssigkeit. Für spezielle Testlösungen konnten schon geringe Konzentrationsänderungen solcher Lösungen (ca. ein Prozent) unterschieden werden, bei guter Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Mit darauf basierenden Messzellen mit Mikrofluid-Kanälen können durch Optimierung der Empfindlichkeit kleinste Menge an Flüssigkeiten (bis zu einem billionstel Liter) insbesondere bei Systemen mit höheren Frequenzen untersucht werden. Außerdem erwies sich die Verwendung von Siliziumdioxid (SiO2) für Messungen in WGM-Resonator-Zellen vorteilhaft: Mikrofluidkanäle unterschiedlicher Größe und Geometrie wurden durch Strukturierung der auf dem Resonator abgeschiedenen SiO2-Schicht hergestellt. Auf der Basis von SiO2 lassen sich Mikrofluidkanäle mit deutlich kleineren Abmessungen herstellen. Dabei ist die Verwendung von SiO2 wegen der Möglichkeit der Oberflächenfunktionalisierung für Messungen an DNA von besonderem Interesse.

Deutsch-ukrainische Zusammenarbeit

Insgesamt wurden im Rahmen der deutsch-ukrainischen Zusammenarbeit drei neue Ansätze für WGM-Resonatoren zum Studium der dielektrischen Eigenschaften verschiedener Materialien entwickelt und getestet. Die Untersuchung der Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit biologischen Flüssigkeitsproben kann dann beispielsweise zum Verständnis von Krankheitsmechanismen bei Krebs und zur Entwicklung neuer Verfahren für die medizinische Diagnostik mit elektromagnetischen Feldern beitragen. Die Kooperation wurde in den Jahren 2008 bis 2011 vom BMBF über das Internationale Büro des BMBF im Rahmen des Mobilitätsprojekts "Entwicklung von millimeterwellen-basierten Whispering-Gallery-Mode Resonator-Techniken zur Charakterisierung von biologischen Flüssigkeiten, einschließlich markerfreie DNA Detektion" (UKR 08/008) unterstützt.

Redaktion: Länder / Organisationen: Ukraine Themen: Lebenswissenschaften Physik. u. chem. Techn.

WGM-Resonator (Quelle: Forschungszentrum Jülich)

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