Eine wichtige Säule im Gesundheitswesen ist die medizinische Diagnostik, die eine frühe Erkennung, Bewertung und Vorhersage einer Krankheit ermöglicht. Gegenwärtig sind diagnostische Analyseverfahren mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden und benötigen gut geschulte Mitarbeiter, um aufwendige Tests durchzuführen. Daher ist die Nachfrage nach schnellen und kostengünstigen Analysemethoden und deren einfache Handhabung in den letzten Jahren stetig angestiegen. Es werden weltweit enorme Anstrengungen unternommen, um neuartige Sensoren und Diagnosegeräte zur Verwirklichung dieser Ziele zu erforschen.
Die sensorischen Eigenschaften von Licht in hoch-integrierten photonischen Schaltungen aus Silizium bieten ideale Voraussetzungen für die Implementierung eines Biosensors. Der hohe Brechungsindex von Silizium erlaubt es die Chipgröße zu minimieren und gleichzeitig die Nachweisempfindlichkeit zu erhöhen. Die ausgereifte CMOS-Technologie unter Verwendung von Silizium Wafern senkt die Kosten durch Herstellung in großen Stückzahlen. Dieser Technologieansatz eröffnet neue Perspektiven für Lab-on-a-Chip (LOC)-Geräte, die alle Teilsysteme der Optik, Mikrofluidik, Elektronik und die chemische Behandlung in einem einzigen Chip vereinen, angefangen von der Probenvorbereitung bis hin zum Auslesen der Sensorergebnisse. Die sensorischen Eigenschaften der Lab-on-Chips können mit photonischen Integrationstechnologien verbessert werden.
Obwohl kristallines Silizium gut als Biosensor-Plattform geeignet ist, werden kostspielige Silicon-on-Insulator (SOI)-Wafer benötigt, die in der Wahl des Substratmaterials eingeschränkt und in Bezug auf die Prozessintegration relativ unflexibel sind. Amorphes Silizium (a-Si:H), das durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) abgeschieden wird, erweist sich als ein vielversprechendes optisches Dünnschichtmaterial für Biosensor-Systeme. Es bietet die gleichen optischen Eigenschaften wie c-Si als verlustarmes Material für die Photonik im nahen Infrarot Wellenlängenbereich (NIR) und ist hochbrechend (n≈3.5). Die niedrigen Prozesstemperaturen (≤ 300 °C) ermöglichen eine höhere Flexibilität zur Verwendung von Glas- und Kunststoffmaterialien als Substrate.
Die meisten photonischen Biosensoren beruhen auf der Detektion des evaneszenten Feldes, das außerhalb des Wellenleiterkerns exponentiell abnimmt. Die Wechselwirkung mit Analytmolekülen führt zu einer Änderung des effektiven Brechungsindex und verändert die optischen Signaleigenschaften des geführten Lichts. Die Änderungen des optischen Signals können anhand der Messung seines Spektrums sichtbar gemacht werden. Die Wellenlängenverschiebung und die Intensität sind auf die Konzentration und die Art des Analytes zurückzuführen.
Verschiedene integriert-optische Komponenten sind als Sensoren geeignet: Photonische Kristalle, Beugungsgitter, Interferometer, und Mikroring-Resonatoren, die den Schwerpunkt dieser Forschungsarbeit bilden. Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist der Entwurf und die Implementierung eines hoch-sensitiven photonischen Biosensors mit geringen Nachweisgrenzen und intelligenter Auslesefunktionalität, der die folgenden Eigenschaften erfüllt:
- Hohe Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit bei niedrigen Nachweisgrenzen
- Hohe Integrationsdichte durch Multiplexing-Fähigkeit
- Niedrige Herstellungskosten
- Flexible Anwendungsmöglichkeiten
- Echtzeit-Messungen
- Erhöhte Portabilität im Vergleich zum Stand der Technik
