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Wettlauf um Abklingzeiten bei Fluoreszenzmarkern entscheidend

„Vincent Haude hat eine herausragende Arbeit zu einem sehr anspruchsvollen Thema vorgelegt, das Thüringens Innovationskraft in der Schlüsselbranche Sensorik stärkt“, so die Einschätzung von Univ.-Prof. Dr.-lng. habil. Hannes Töpfer, Fachgebietsleiter für Theoretische Elektrotechnik an der Technischen Universität Ilmenau. Die vorgelegte Bachelorarbeit adressiere eine im größeren Forschungsrahmen aktuell sehr relevante Thematik: „Mit immer empfindlicheren Sensorsystemen lassen sich Analyseverfahren in Medizin und Umweltanalytik verbessern und sind somit von erheblichem gesellschaftlichen Interesse“, ordnet Töpfer weiter ein. In der Diagnostik würden Sensoren eingesetzt, um fluoreszierende Eigenschaften biologischer Proben zu messen.

„Fluoreszenzfarbstoffe setzt man zum Beispiel in der In-vitro-Diagnostik als Marker ein,“ erklärt Vincent Haude. Mit ihrer Hilfe ließen sich selbst geringste Konzentrationen von Erregern mit Analysegeräten in Speziallaboren nachweisen, die mit Standard-Tests nicht erfassbar wären, so Haude weiter. „Will man wie das IMMS mobile Diagnostik-Systeme bauen, ist das natürlich interessant.“ Die Farbstoffe emittieren Licht einer charakteristischen Wellenlänge, wenn sie mit Licht einer anderen Wellenlänge angeregt werden. Je nach Farbstoff ist diese Fluoreszenz über wenige Nanosekunden bis Mikrosekunden sichtbar und somit messbar, vorausgesetzt, sie überlagert sich nicht mit dem Anregungslicht. Das IMMS entwickelt halbleiterbasierte Mikroelektronik-Chips, mit denen die Intensität des Fluoreszenzlichts zeitaufgelöst erfasst wird. Hierbei wird das emittierte Licht gemessen, nachdem das Anregungslicht einer LED abgeschaltet und abgeklungen ist. „Man kann die Farbstoffe auch genauso mit Lasern anregen, die sind aber bei diesen Wellenlängen relativ teuer,“ führt Haude weiter aus. Mit optischen Filtern könne man Anregungslicht und Fluoreszenzlicht wie in den großen Laboranalysegeräten zwar auch trennen, das vergrößere aber auch den Bauraum und die Kosten.

„Wir wollen kostengünstige mobile Systeme entwickeln, deswegen möchten wir am IMMS Standard-LEDs als Pulslichtquellen nutzen,“ erklärt Haude. Je schneller und besser sich diese an- und abschalten ließen, desto flexibler und verlässlicher könne man sie für verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe und somit Anwendungen nutzen.

Optische Dynamik und optische Schaltzeiten von LEDs im Nanosekundentakt

Um dieses Ziel zu erreichen, hat Vincent Haude auf Basis der detailliert recherchierten physikalischen Grundlagen die relevanten Parameter herausgearbeitet, die das dynamische Schaltverhalten von LEDs beeinflussen. Mit diesen Erkenntnissen hat er kommerziell erhältliche Standard-LEDs mit Blick auf ihr Abschaltverhalten ausgewählt, hierfür Pulstreiberschaltungen für LEDs recherchiert und entwickelt, ausgewählte Schaltungen simuliert, hochfrequenzoptimierte Layouts erstellt und auf Leiterplatten als Charakterisierungs-Setup aufgebaut. Diese Schaltungen und die ausgewählten LEDs hat er sowohl elektrisch als auch optisch vermessen.

„Vincent Haude konnte das Nachleuchten der LEDs mithilfe optimierter Schaltungen auf wenige Nanosekunden reduzieren.“ erklärt Alexander Rolapp, Spezialist für die Charakterisierung und den Test integrierter Schaltungen am IMMS und Betreuer der Bachelor-Arbeit. „Das Limit war dabei immer die LED selbst und nie die Schaltung.“ Auf dieser Grundlage habe Vincent Haude ein sehr kompaktes LED-Pulssystem entwickelt, das die optische Dynamik und die optischen Schaltzeiten von LEDs nicht nur deutlich verbessere, sondern sich auch problemlos in bestehende Aufbauten integrieren lasse. „LEDs in dieser Form aktiv abzuschalten verschiebt ihre Dynamik für die für uns interessanten Anwendungen in Bereiche, die sonst nur Lasern vorbehalten sind“, fasst Rolapp zusammen.

Somit sind die Erkenntnisse von Vincent Haude und sein Charakterisierungs-Setup ein wichtiger Baustein, der die künftige Forschung und Entwicklung zur zeitaufgelösten Fluoreszenz wesentlich voranbringen wird.

Mix aus Theorie und Praxis stärkt Nachwuchskräfte und Wirtschaft

„Für meine Abschlussarbeit kam mir nicht nur das State-of-the-art-Messequipment am IMMS zugute. Um LEDs bestmöglich zu verstehen, habe ich mich mit Festkörperphysik, Optoelektronik und Elektrotechnik beschäftigt. Hier half mir das tiefe Verständnis der Kollegen am IMMS, die jede noch so komplizierte Frage einordnen und beantworten konnten“, bedankt sich Haude für die Betreuung. Der gebürtige Thüringer hat frühzeitig an der TU Ilmenau Angebote wie die Basic Engineering School genutzt, um Theorie mit Praxis zu verknüpfen und war später dort selbst Betreuer. Seit 2021 ist er am IMMS – zuerst als Praktikant und Assistent und seit dem Bachelor als wissenschaftlicher Mitarbeiter – und bald hat er seinen Masterabschluss in der Tasche. „Die Auszeichnung mit dem Silicon Science Award zeigt, dass der Mix aus Theorie und Praxis, den wir an der TU Ilmenau gemeinsam mit dem IMMS anbieten, Früchte trägt“, ordnet Töpfer ein. Haude sei perfekt vorbereitet für einen Berufsstart in der anwendungsnahen Forschung, wie sie am IMMS betrieben werde und in Produkte von Partnern aus Medizintechnik, Sensorik und Industrie fließe, so Töpfer weiter. Gleichzeitig habe Haude dank seiner fundierten Ausbildung sämtliches Rüstzeug, direkt in die Forschung und Entwicklung in der Industrie einzusteigen oder ein Start-up zu gründen. „Ich bin gespannt, wo die Reise hingeht“, kommentiert Haude mit einem Augenzwinkern.