Mikrolabor auf einem Chip: Wasser gerne, aber bitte sauber

Ein mikrofluidischer Chip nimmt eine Wasserprobe auf, versetzt ihn mit den
erforderlichen Chemikalien und befördert ihm zum Ort der Detektion. Wozu
das Ganze? Auf diese Weise soll das Wasser vollautomatisiert und mit
verschiedenen Parametern analysiert werden und das auch möglichst
kostengünstig. Im Projekt MICROCHIP ist aus diesem Vorhaben ein
weiterentwickelter Chipprototyp für Wasseranalysegeräte entstanden.

Ob im Wasserwerk, Labor, in einem Schwimmbecken oder aus dem Wasserhahn -
wer möchte da nicht eine schnelle und einfache Wasseranalyse zur Hand
haben. Mit dem im Projekt MICROCHIP entwickelten mikrofluidischen Lab-
on-a-Chip lassen sich Proben aus wenigen Tropfen in kurzer Zeit
vollautomatisiert analysieren. Wenn dann auch noch Personal ohne Schulung
in die Lage versetzt wird, sechs für die Wasseranalytik relevante
Parameter parallel mit einem kostengünstigen Messgerät zu detektieren,
spart das zusätzlich Zeit und Kosten. Zudem sind bei dieser Methodik
Anwenderfehler ausgeschlossen. Reagenzien können nicht verwechselt werden
und die zu dem Verfahren passende Wassermenge ist durch den Chip fest
vorgegeben.

Spiegel statt Durchsicht

Der Chip erreicht eine hohe Messgenauigkeit. Dazu verhelfen ihm unter
anderem eine verlängerte sogenannte Pfadlänge und ein angepasstes Design,
die den Chip kompakt halten. An Stelle einer ursprünglich geplanten
Durchsichtlösung setzten die Projektpartner auf eine sogenannte
Spiegellösung. Das Re-Design der Hardware mit verschiedenfarbigen LEDs
ermöglicht letztlich eine Analytik für das auf Photometrie basierende
Messverfahren, bei dem gefärbte Wasserproben ausgewertet werden.

Kreditkartenformat voll mit Technik

Der Chip erreicht letztlich ungefähr die Größe einer Kreditkarte,
verbunden mit einer Menge Technik wie eine Elektronikplatine mit
photometrischen Sensoren, Ultraschallmischer, Druckreservoirs sowie eine
Schlauchpumpe Einschub für den Chip nebst Andruckmechanismus im kleinen
Gehäuse untergebracht werden mussten. Im Vergleich zu bisherigen Lösungen
ist diese wesentlich kostengünstiger. Die Projektpartner zeigen, dass es
möglich ist, multi-Parameter Wasseranalysen in einem Kunststoffchip
durchzuführen. Sie verzichten auf aufwendige und teure Technologien wie
Blister und Gefriertrocknung. Sie trocknen die Reagenzien stattdessen
direkt in Kammern im Kunststoffchip. Mit einer einfachen Schlauchpumpe
wird die Messflüssigkeit gezielt durch den Chip dirigiert. Dadurch messen
die Sensoren die durch die Reagenzien gefärbte Flüssigkeit in derselben
Messkammer wie die zuvor farblose Vergleichsprobe. Hergestellt wird der
Chip im Spritzgussverfahren. Damit der Chip nach außen hin auch druckdicht
ist, werden die Kanäle im einer schwarzen Ober- und einer transparenten
Unterschale mittels Laserstrahlverfahren verschweißt.

Bisherige vergleichbare Systeme für die automatisierte Wasseranalyse nach
Zugabe der Wasserprobe in Polymerchips sind entweder zu voluminös,
analysieren weniger Parameter parallel. Bereit für eine Massenfertigung
ist der im Konsortium entwickelte und umgesetzte Demonstrator zwar noch
nicht. Die Ergebnisse der Entwicklung und Tests fließen allerdings bereits
bei einem der Projektpartner, der Water-i.d. GmbH, bei der Herstellung von
weiteren Wasseranalysegeräten und –Reagenzien mit ein.

Projektinformation

Das Projekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und
Forschung (Förderkennzeichen: 01QE1721C) gefördert. Die Arbeiten wurden
als EUROSTARS-Verbundvorhaben durchgeführt, welches aus dem deutschen
Konsortium unter Führung der WATER-i.d GmbH, mit Beteiligung der Firma
420nm UG, dem Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM
sowie der britischen Firma Water Treatment Products Ltd und dem türkischen
Partner ENELSA Endüstriyel Elektronik Ins bestand.