Magnetoresistive Sensoren schrumpfen das Labor

Ein Mini-Labor im Handy-Format ist das große Ziel von MrBead. Dabei handelt es sich keineswegs um den kleinen Bruder von Mr Bean. Denn während sich die britische Slapstick-Figur in der modernen Welt nur schwer zurechtfindet, schickt sich das Projekt Mr- Bead an, die Analyseverfahren für die Humandiagnostik zu verändern. Dazu nutzt das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unterstützte Vorhaben zwei etablierte Technologien, um sie in einer Bioanalytik-Plattform erstmals miteinander zu kombinieren: MR-Sensoren und Beads, also biobeschichtete magnetische Kügelchen, in die Nanopartikel eingelassen sind. Mit Hilfe der Mikrosystemtechnik entstehen dabei kompakte, miniaturisierte Auswertegeräte mit Wegwerf-Einsätzen zur Aufnahme der Probenflüssigkeiten. Diese Geräte sollen direkt im Umfeld des Patienten einsetzbar sein. Das kann ein Arzt im afrikanischen Flüchtlingscamp oder ein Landwirt in Deutschland sein: Sie können mit einem Tropfen Blut damit in wenigen Minuten vor Ort feststellen, ob eine gefährliche Infektion vorliegt.

Dies ist das Ziel von Professor Dr. Andreas Hütten von der Universität Bielefeld. Rund 80 Krankheiten von der Grippe über Hepatitis bis zu HIV will er mit dem Labor im Taschenformat aufspüren lassen. Die bis herigen optischen Analyseverfahren sind nach Meinung des Physikers zu aufwändig und unflexibel. „Sie verlangen das ganz große Labor sowie relativ teure optische Systeme wie Lichtquelle, Fokussierungsoptik oder Spektrometer.“

Die Fortschritte in der MR-Technologie hingegen machen den kostengünstigen Schnellcheck möglich: Dahinter steht der GMR-Effekt, der durch den Physik-Nobelpreis des vergangenen Jahres vielen ein Begriff sein dürfte. Zwei Forscher haben vor 20 Jahren herausgefunden, dass sich der elektrische Widerstand von zwei dünnen ferromagnetischen Schichten – getrennt durch eine dünne nichtmagnetische Schicht – unter dem Einfluss des Winkels eines Magnetfelds ändert. Vor allem die Computerbranche nutzt die Erkenntnis, indem sie extrem empfindliche Leseköpfe für Festplatten entwickelte, so dass sie deren Speicherkapazität erhöhen konnte. Die Sensitec GmbH, Lahnau, hat diese Technologie aus dem digitalen Umfeld geholt und für Messaufgaben weiterentwickelt, und zwar vor allem zur Längenmessung im industriellen Umfeld. „Die Bioanalytik ist für uns ein relativ neues Geschäftsfeld, das großes Potenzial verspricht“, erklärt Jochen Schmitt, Projektverantwortlicher bei Sensitec. Das Unternehmen erhofft sich durch die Umsetzung des MrBead-Prinzips in Produkte, zusätzlich Sensorchips in Millionenstückzahlen fertigen zu können. Dazu hat es einen 0,9 x 2 mm großen Sensor entwickelt, der aus 32 Elementen besteht, mit denen die magnetischen Kügelchen aufgespürt werden. Durch das einfache Prinzip lässt er sich gut miniaturisieren und in Form eines MR-Chips in den Wegwerf-Einsatz integrieren. Das Projektkonsortium ist laut Schmitt derzeit dabei, dieses Disposable auf die Größe eines USB-Speichersticks zu bringen. Auch die Elektronik, die die Sensorsignale aufnimmt und digitalisiert, stammt von den Hessen. Das tragbare Labor soll keine 200 Euro, ein Disposable abhängig von der Anzahl der abfragbaren Parameter maximal 2 Euro kosten. Damit ist nicht nur die Größe mini.

Sabine Koll Fachjournalistin in Böblingen

Mit Antikörpern beschichtete Kügelchen (Beads) werden zusammen mit dem Analyt auf eine Sensoroberfläche gebracht, die ebenfalls mit Antikörpern beschichtet ist. Diese Oberfläche wird gewaschen, so dass nur die nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip gebundenen Beads darauf haften bleiben. Die Beads sind paramagnetisch, sie erzeugen also nur dann ein magnetisches Feld, wenn ein äußeres magnetisches Feld auf sie einwirkt. Dieses wird mit einer Spule erzeugt, die dazu in der Nähe des Sensors platziert wird. Dieses Feld kann dann vom Riesen-Magnetowiderstand-Sensor (GMR) gemessen werden. Dieses Prinzip wird im Projekt auch für das Aufspüren von Tumoren genutzt. Die Beads dienen dort als Angel, um Tumorzellen, typische Stoffwechselprodukte oder Antikörper zu fischen.