Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

Medikament oder Plagiat? Quantenkaskadenlaser erkennen den Unterschied

Miniaturisierter, breitbandig spektral abstimmbarer Quantenkaskadenlaser mit Emissionswellenlängen im mittleren Infrarot-Bereich und hoher Scanfrequenz bis zu 1 kHz. Foto: © Fraunhofer IAF
Miniaturisierter, breitbandig spektral abstimmbarer Quantenkaskadenlaser mit Emissionswellenlängen im mittleren Infrarot-Bereich und hoher Scanfrequenz bis zu 1 kHz. Foto: © Fraunhofer IAF
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Stellen Sie sich vor, Sie halten zwei Medikamente in Händen. Eines von beiden ist ein Plagiat, das andere ist das Original. Beide sind optisch identisch. Lassen sich die beiden Präparate trotzdem unterscheiden? Die Antwort lautet: Ja. Am Fraunhofer IAF arbeiten Experten an einem Quantenkaskadenlaser (QCL), der Medikamente in Bruchteilen einer Sekunde exakt identifizieren kann.

Die Technologie hinter der Innovation ist die Rückstreuspektroskopie. Sie macht sich zunutze, dass jede chemische Substanz einen individuellen Anteil infraroten Lichts absorbiert. "Bestrahlen wir eine Substanz mit einer entsprechenden Lichtquelle, erhalten wir eine für den Stoff charakteristische Rückstreuung", schildert Dr. Ralf Ostendorf, Leiter des Geschäftsfeldes "Halbleiterlaser" am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg. Besonders gut eignet sich der Bereich des mittleren Infrarotspektrums (MIR), um Stoffe und Substanzen zweifelsfrei zu identifizieren. Das Licht hat hier eine Wellenlänge von drei bis 12 Mikrometern. Moleküle weisen in diesem Spektralbereich ein charakteristisches Absorptionsverhalten auf, was das QCL-Messsystem hervorragend nachweisen kann.

Der QCL kann in wenigen Millisekunden gezielt auf einzelne Absorptionslinien innerhalb eines sehr breiten Spektralbandes eingestellt werden, was bedeutet, dass in kürzester Zeit sehr viele Informationen zum Absorptionsverhalten einer Substanz ermittelt werden können. "Mit Hilfe der hohen spektralen Brillanz des Lasers und der schnellen Wellenlängenabstimmung sind rasch sehr exakte Rückschlüsse möglich - ähnlich eines menschlichen Fingerabdrucks", erklärt Ostendorf. Der entwickelte QCL schafft es somit, selbst kleinste Mengen einer bestimmten Substanz in Echtzeit nachzuweisen, was eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu bisherigen Systemen darstellt.

Ein mobiles Messsystem für die Inline-Prozesskontrolle

Die präzisen Quantenkaskadenlaser entwickeln Forscher des Fraunhofer IAF gemeinsam mit Kollegen des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden. Das Fraunhofer IAF arbeitet dabei an der Weiterentwicklung der Laserchips, das Fraunhofer IPMS ist für das miniaturisierte optische Beugungsgitter der Laser verantwortlich. Durch die Drehung dieses Gitters kann die Wellenlänge beim "Beleuchten" der Substanzen kontinuierlich abgestimmt werden.

Derzeit macht das Projekt-Team die Laser fit für den Einsatz in der Pharmabranche: Im Labor haben die Forscher mit ihrer Methode bereits zuverlässig die Wirkstoffe von Alltagspillen für Kopfweh und Fieber ermittelt. In Zukunft soll die Technologie in der Massenproduktion von Arzneimitteln als Echtzeitkontrolle eingesetzt werden. Schon im Produktionsprozess sollen Präparate aussortiert werden können. "Es lassen sich nicht nur rasch fehlerhafte Margen aussortieren, sondern auch Medikamentenplagiate zuverlässig aufspüren. Die aufwändige und teure händische Kontrolle im Labor wäre obsolet", fasst Ostendorf den Mehrwert zusammen.

Die Ursprünge des Verfahrens liegen in dem Bereich der Sicherheitstechnik: Im EU-Projekt "CHEQUERS" entwickelt das Fraunhofer IAF beispielsweise einen tragbaren auf Quantenkaskadenlasern basierenden Detektor, der explosive oder toxische Substanzen berührungslos aus sicherer Entfernung erkennen kann. Aktuell suchen die Freiburger Forscher Industriepartner, um ihren Ansatz weiterzuentwickeln. "Erste Gespräche haben bereits stattgefunden. Im nächsten Schritt wollen wir mit unserer Sensorik auch einzelne Substanzen einer Wirkstoffmischung quantifizieren", skizziert Ostendorf zukünftige Herausforderungen.

Weitere Informationen zum Quantenkaskadenlaser, seinen Einsatzmöglichkeiten am Fraunhofer IAF und allgemein zum Bereich der Optoelektronischen Bauelemente finden Sie unter:

- Fraunhofer IAF auf der Analytica 2018: https://www.iaf.fraunhofer.de/de/veranstaltungen/analytica_2018.html

- Optoelektronische Bauelemente am Fraunhofer IAF: https://www.iaf.fraunhofer.de/de/forschung/optoelektronische-bauelemente.html

- Pilotlinie für photonische Komponenten "MirPhab": https://www.iaf.fraunhofer.de/de/leistungsangebot/halbleiterlaser/mirphab.html

- Halbleiterlaser am Fraunhofer IAF: https://www.iaf.fraunhofer.de/de/leistungsangebot/halbleiterlaser.html

Über das Fraunhofer IAF in Freiburg

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF zählt zu den führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der Verbindungshalbleiter. Auf Basis dieser Halbleiter entwickelt es elektronische und optoelektronische Bauelemente sowie integrierte Schaltungen und Systeme. In einem 1000 m² großen Reinraum und weiteren 3000 m2 Laborfläche stehen Epitaxie- und Technologieanlagen sowie Messtechniken bereit, um Hochfrequenz-Schaltungen für die Kommunikationstechnik, Spannungswandler-Module für die Energietechnik, Infrarot- und UV-Detektoren für die Sicherheitstechnik sowie Infrarot-Lasersysteme für die Medizintechnik zu realisieren. Bedeutende Entwicklungen des Instituts sind lichtstarke weiße Leuchtdioden für die Beleuchtungstechnik, energieeffiziente Leistungsverstärker für die mobile Kommunikation und hochempfindliche Laser-Analysesysteme zur Überwachung der Trinkwasserqualität.

Dr. Anne-Julie Maurer
Leiterin Marketing und Kommunikation
Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

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Phone: +49 761 5159-282
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