Mikrooptischer Glukosesensor für den klinischen Einsatz in der Intensivmedizin. Hans-Joachim Freitag, CiS Erfurt Jena

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1 Mikrooptischer Glukosesensor für den klinischen Einsatz in der Intensivmedizin Hans-Joachim Freitag, CiS Erfurt Jena

2 Diabetes Mellitus ist eine Volkskrankheit mit starker Zunahme. Weltweit sind einige hundert Millionen Menschen erkrankt. Kosten und Folgekosten von einigen hundert Milliarden Euro. Seit ca. 40 Jahren wird zur kontinuierlichen Blutzuckermessung mit immensen Forschungsmitteln geforscht, aber es hat sich noch kein Sensorsystem am Markt durchgesetzt. Gründe hierfür sind: die Kosten für die technischen Lösungen zu hoch die notwendige Miniaturisierung wird nicht erreicht die Umsetzung in eine Massenproduktion ist nicht gegeben 2

3 Spotmessungen zeigen nur Augenblickswerte Kontinuierliches und absolutes Glukosemonitoring ist Basis für klinisch relevante Fragestellungen! 3

4 Polarimeter Ansatz für absolute Glukosemessung OE Empfänger mit Analysator Messzelle OE Sender mit Polarisator Glukosekonzentration in der Messzelle bestimmt die Drehung der Polarisationsebene des polarisierten Lichtes 4

5 Bekanntes Prinzip für einen Glukosesensor Einstichstelle in der Bauchhaut oder am Unterarm Messgut ist die interzelluläre Gewebeflüssigkeit 5

6 Es werden erste Entwicklungsergebnisse für einen insertierbaren Glukosesensor vorgestellt, der eine absolute kontinuierliche Blutzuckermessung gestattet. Ein neues innovatives Konzept erlaubt einen ganzheitlichen Systemansatz durch eine multifunktionale Messzelle zur Erreichung der sehr hohen technisch/physikalischen Parameter für die Miniaturisierung der mikrooptischen und optoelektronischen Komponenten kostengünstige Massenfertigung. 6

7 Anforderungen zur Messung der Polarisationsdrehung Blutzuckerkonzentration 0,8 1,3 g/l Polarisationsdrehung 3,2 5,2 m /cm optischer Weg realisierbare aktive Längen im medizinischen Bereich 1 2 cm Nötige Auflösung < 1 m Ansatz: Polfilter 45 Analysatoren fest 0 /90 1m Poldrehung = 0,000017% Signaländerung pro Kanal Signalstrom Photodiode ~1µA mit Messgenauigkeit ~ +/- 20pA (entspricht Dunkelstrom typischer Photodioden) extrem hohe Anforderungen nicht nur an die Auswerteelektronik, sondern auch an: Photodiodeneigenschaften (Stabilität, Drift, Dunkelstrom), an die Mikrooptik (homogene Ausleuchtung, hohe Wellenlängenkonstanz) sowie AVT (Kontaktqualität, -Stabilität, Montagetechnologie, Materialien) 7

8 Designkonzept Folgende Hauptkomponenten wurden im 1.Schritt (Labormuster) konzipiert und entwickelt: Messkammer Mikrooptische Sendeeinheit Optoelektronische Empfängereinheit 8

9 Messkammer Basisinnovation für den Glukosesensor Mikroporöse Keramik mit nanoporöser Trennmembran 2 mm Aufgabe: Messkammer soll die optimale Diffusion der Glukosemoleküle gewährleisten Lösung: mikroporöser Basiskörper aus gesinterter Keramik mit nanoporösen Solgelschicht 9

10 Messkammer Poröse Keramikkapillaren mit nanoporöser Trennmembran Diese wurden mittels spezieller Werkzeuge hergestellt und technologisch verbessert. Zur Optimierung des Diffussionsverhaltens und der Trenneigenschaften wurden folgende Varianten hergestellt und untersucht Zur Untersuchung der Wandstärkenabhängigkeit Röhrchen A*: Al2O3, Körnung 3 µm, A = 2,9 mm, I = 1,8 mm, Wandstärke = 0,55 mm 5 nm Trennmembran Röhrchen B*: Al2O3, Körnung 3 µm, A = 3,0 mm, I = 2,6 mm, Wandstärke = 0,20 mm 5 nm Trennmembran Zur Untersuchung der Beschichtungsabhängigkeit: Keramikröhrchen A*: 30 nm Beschichtung, unbehandelt Keramikröhrchen B*: 30 nm Beschichtung, hydrophobiert Keramikröhrchen C*: 30 nm Beschichtung, hydrophiliert Für diese Grundvarianten wurden zusätzlich weitere nanoporöse Solgelschichten mit 10nm und 5nm Porengröße realisiert und untersucht. Zur Untersuchung der Geometrieabhängigkeit : Röhrchen A*: A = 2,00 mm, I = 1,53 mm, Wandstärke = 0,47 mm Röhrchen B*: A = 2,72 mm, I = 2,24 mm, Wandstärke = 0,48 mm 10

11 multifunktionale Messkammer Opoelektronisches Empfängermodul Messkammer Optoelektronisches Sendemodult 11

12 Optoelektronische Sendeeinheit Physikalische und technologische Herausforderung gleichermaßen 12

13 Maßgeschneiderte Mikrooptik 13

14 Sendemodul mikrooptisches Mikrosystem 1,2 mm Polarisator Mikrooptik Blende Bonddraht LED LED- Träger 14

15 Gemessenes Strahlprofil Strahlrofil Glucotop Senderbaugruppe in 18mm Abstand I(rel) x(mm) Die Schwankungen im Plateau entstehen durch Granulierung der Mattscheibe. 15

16 Ausleuchtung der Messkammer

17 Batchprozessbasierte Aufbautechnologie 17

18 Batchprozessbasierte Aufbautechnologie 18

19 Optoelektronisches Empfängermodul Spitzenleistung bei optoelektronischen Mikrosystemen 19

20 Hochleistungsphotodiodenarrays Eindringtiefe von Licht in c-si keine Streuung senkrechter Einfall 20

21 Einfluss Eindringtiefe pn-übergang 21

22 Einfluss Weite der RLZ 22

23 Präparationsvarianten Fotodioden d pn CMOS EPI Hochohmig Standard 1,2µm flächig Streifen flächig Streifen flächig Streifen n+ UF n+ UF n+ UF n+ UF n+ UF n+ UF flach 0,5µm flächig Streifen flächig Streifen flächig Streifen n+ UF n+ UF n+ UF n+ UF n+ UF n+ UF Licht Licht p i n PIN Fotodiode pn-fotodiode 23

24 Flächendioden mit n+-schutzring: Streifendioden mit n+-schutzring Flächendioden mit p+-umfelddiode Streifendioden mit p+-umfelddiode 24

25 Optoelektronisches Empfängermodul 25

26 Erste Ergebnisse Vollständige Polarisatordrehung über eine Messzeit von 3h/ P (Normiert) φ [ ] 26

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28 Glukotip als Wegwerfsensor 28

29 Glukonect 29

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31 Zusammenfassung und Ausblick Ergebnisse bestätigen die Erreichung der weltweit überaus ehrgeizigen physikalischen technische Zielsetzungen Ergebnisse bestätigen die Miniaturisierung als Mikrooptisches Mikrosystem Der ganzheitliche Systemansatz bietet Ansätze für eine Massenfertigung Die technologischen Grundlagen und der Nachweis einer Batchprozess basierten Großserienfertigung (größer 1 Million Stück/a) als Mikrosystem sollen in einem Folgeprojekt Glukotip II erarbeitet werden 31

32 Nachhaltigkeit des Projektes Mit erfolgreichem Projektabschluss ist ein hoher wirtschaftlicher Effekt für die Region gegeben: Produktion in zwei Firmenneugründungen komplett in der Region 95 % aller Hochtechnologiekomponenten aus Thüringen Bei positiver Markteinführung ist eine Weiterentwicklung für den nichtstationären Einsatz denkbar! 32