Die Erfindung von Antibiotika gilt noch immer als einer der großen Meilensteine der modernen Medizin. Die sich dadurch eröffnenden Behandlungsmöglichlichkeiten haben vielen die Angst vor Infektionskrankheiten wie Tuberkulose oder Lungenentzündung genommen. Doch der Kampf gegen bakterielle Infektionen rückt wieder in den Fokus von Medizinern und Biologen. Denn durch den hohen Einsatz oder gar Missbrauch von Antibiotika werden Bakterien zunehmend resistent gegen diese und selbst kleine Infektionen können dadurch wieder lebensbedrohlich werden. Um dem entgegenzuwirken, sollten Antibiotika nur bei Bedarf und auf das jeweilige Krankheitsbild abgestimmt verabreicht werden.
In-situ-Charakterisierung von Bakterien mit einer faseroptischen SERS-Sonde
Wissenschaftler des Imperial College London leisten einen Beitrag zu dieser globalen Herausforderung, indem sie einen faseroptischen Sensor für die markierungsfreie Detektion und Charakterisierung von Bakterien entwickeln. Dieser miniaturisierte faseroptische Sensor, der auf dem Prinzip der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) basiert, ist der erste seiner Art und könnte zum Beispiel in medizinische Endoskope für die In-situ-Analyse von entzündetem Gewebe integriert werden. Die Raman-Spektroskopie ist ein leistungsfähiges Analyseverfahren für organische und biologische Proben und ermöglicht die Charakterisierung von Proben wie z. B. Bakterien anhand ihres individuellen spektralen Fingerabdrucks. Die an sich schwache Natur der Raman-Streuung kann durch metallisierte mikro- und nanostrukturierte Oberflächen verstärkt werden. Dadurch entstehen wiederum Signal-Hotspots, die mit der Probe interagieren. Die Wissenschaftler setzten in ihrem Forschungsprojekt auf die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP), um 3D-Mikro- und Nanostrukturen auf die Oberfläche von Glasfasern zu drucken, die sie anschließend mit einer dünnen Goldschicht beschichteten. Für SERS-Messungen wird ein Laserlicht in die optische Faser eingekoppelt und regt Signal-Hotspots auf der nanostrukturierten Oberfläche der Fasersonde an. In Wechselwirkung mit dem Analyten wird das SERS-Signal erzeugt und von der optischen Faser wieder aufgefangen.
Rapid Prototyping mit kurzen Design-Iterationszyklen
In einer ersten Designstudie analysierten die Wissenschaftler die SERS-Wirkung verschiedener Mikro- und Nanostrukturen, die mit einem 3D-Drucker von Nanoscribe auf ein planares Glassubstrat gefertigt wurden. Ein hexagonal angeordnetes Single-Voxel-Array erwies sich dabei als das effizienteste Muster. Mit schnellen Design-Iterationen optimierten die Forscher den Abstand zwischen den einzelnen Voxeln des Arrays weiter. Sie stellten Proben mit beeindruckend kleinen Abständen von nur 400 Nanometern her, was mit dem 2PP-basierten 3D-Druck noch gut möglich ist.
Ein zweites Design, das sich als effizient für SERS-Messungen erwies, war ein Mikrospike-Array, das die Signal-Hotspots an den Spitzen leitet und konzentriert. Speziell auf Fasern gedruckt zeigte dieses Design eine erhöhte mechanische Stabilität im Vergleich zu einem einzelnen Voxel-Array und wurde daher weiter für den Nachweis von E. coli-Bakterien untersucht.
Für die endgültige faseroptische SERS-Sonde druckten die Forscher die optimierten Mikrostrukturen direkt auf die Facette der Faser und validierten die analytischen Fähigkeiten des Sensors mit dem Nachweis von unmarkierten E.-coli-Bakterien.
Neue Lösungen von Nanoscribe für den neigungskompensierten und ausgerichteten On-Fiber-Druck
Die Realisierung der auf die Faser gedruckten SERS-Sonde stellte die Forscher im Fabrikationsprozess vor mehrere Herausforderungen. Zunächst entwarfen sie einen maßgeschneiderten Faserhalter, um damit den 3D-Druck auf die Facette der Faser zu ermöglichen. In einem nächsten Schritt druckten sie das Objekt perfekt auf den Kern der optischen Faser ausgerichtet, sodass die mikrofabrizierten Raman-Hotspots angeregt werden konnten. Eine weitere Herausforderung beim 3D-Druck sehr filigraner Strukturen wie dem Single-Voxel-Array ist die Kompensation einer potenziell geneigten Substratoberfläche. Insbesondere beim Druck auf optischen Fasern führt eine Oberflächenneigung zu einer schlechten Ausbeute der SERS-aktiven Mikrostrukturen.
