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www medicaldesign news 02 2021 31 ■ Optoelektronischer CMOS-Biochip Das IMMS hat auf der Basis von Untersuchungen mit dem Testsystem den speziell auf die Anwendung ausgerichteten ASIC D4021A entwickelt Dieser Chip ist kleiner und kostengünstiger als jener für die Voruntersuchungen und hat eine Architektur mit der genauere und rauschärmere Messungen möglich sind Der D4021A enthält zudem einen Digitalteil zur Vorverarbeitung der analog erfassten Werte Das vereinfacht die nachfolgende Signalverarbeitung und standardisierte Anbindung zu Informationsverarbeitungssystemen Die digitalisierten Messsignale sind darüber hinaus robuster gegen äußere Störeinflüsse Der CMOS-Biochip besteht aus einer Sensormatrix aus 5 × 5 Photodioden Bild 6 Einfallendes Licht wird durch die Photodiode in einen definierten Photostrom IPD umgewandelt und in einem Bild 3 Vergleich des Systemverhaltens anhand des normierten Photostroms über 15 Minuten ohne blau und mit grün Lichtregelung über eine Referenz-Photodiode im Linsentubus über 100 Sekunden Wenige Sekunden nach dem Ab-Anschalten ist die Lichtquelle stabilisiert Bild 4 Grafische Nutzeroberfläche für die Regelung und Messung am Photometer das per USB-Kabel an einen Rechner oder Laptop angeschlossen wird Der Screenshot zeigt die Messwerte von Sensoren im Matrixformat Über das Projekt Das diesen Ergebnissen zugrundeliegende Vorhaben »INSPECT« wurde vom Freistaat Thüringen unter der Nummer 2015 FE 9159 gefördert und durch Mittel der Europäischen Union im Rahmen des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung EFRE kofinanziert Projektpartner des IMMS Institut für Mikroelektronikund MechatronikSysteme gemeinnützige GmbH IMMS GmbH sind die Senova Gesellschaft für Biowissenschaft und Technik mbH die CDA GmbH das Institut für Bioprozessund Analysenmesstechnik e Vund die X-FAB Semiconductor Foundries GmbH ten Er war einst realisiert worden um parallel verschiedene Krankheitserreger durch die Messung von Lichtunterschieden zu detektieren ■ Untersuchungen zur Optimierung Das IMMS hat für die Entwicklung des Photometers mehrere Messaufbauten und Testsysteme mit dem Chip realisiert um die Lichtabsorption von Proben sowie Linearität Empfindlichkeit und Auflösungsgrenze des Photometers zu bestimmen und Einflussfaktoren wie die Erwärmung von Elektronik und Lichtquelle konstante Beleuchtungsbedingungen Verdunstungseffekte und Streulicht zu untersuchen Auf dieser Basis integrierte das IMMS beispielsweise eine Lichtregelung in das Lesegerät Dadurch konnte die Einschwingzeit des Gesamtsystems von mehr als 15 Minuten auf unter eine Minute erheblich verkürzt werden Bild 3 Damit lassen sich systematische Messfehler verringern und die biochemischen Reaktionen sicherer nachweisen Ursachen für die systematischen Messfehler liegen zum Beispiel in der Erwärmung der Elektronik und der LED sowie in der Verdunstung von Flüssigkeiten bei sehr hohen Lichtintensitäten Die LED lässt sich vom Rechner mit der grafischen Nutzeroberfläche GUI einstellen genauso wie die ASIC-Verstärkung die Auswahl von Sensoren Mittelwertbildung Messwertpro-Zeiteinheit und Messdatenspeicherung Über die GUI werden verschiedene Graphen bereitgestellt zur Auswertung der Regelung und der Messergebnisse Bild 4 Das optimierte Photometer wurde mit Cartridge-Aufbauten Bild 2 an Senova übergeben um das Messsystem mit dem prostataspezifischen Antigen PSA zu validieren Senova hat die biochemische Funktionalisierung der Chip-Oberflächen mit immobilisierten Antikörpern für PSA vorgenommen den PSA-Assay optimiert und Messungen mit Proben unterschiedlicher PSA-Konzentrationen durchgeführt Wie in Bild 5 dargestellt führt die steigende PSA-Konzentration in der Probe zu abnehmenden Signalen bei optischen Messungen mit dem CMOS-Biochip Die Experimente wurden fünfmal mit verschiedenen CMOS-Biochip-Cartridges mit ähnlichen Ergebnissen wiederholt PSA ließ sich dabei mit einer Detektionsgrenze von 0 1 ng ml nachweisen Es wurden Variationskoeffizienten über die Experimente von 8 8 Prozent 3 2 Prozent und 8 9 Prozent für 0 5 ng ml 5 ng ml und 50 ng ml PSA erreicht Das Nachweissystem erfüllt damit die Vorgaben für die klinische Prüfung gemäß Rili-BÄK