Quantenkaskadenlaser identifiziert Medikamente in Sekundenbruchteilen

Den »Fingerabdruck« einer Substanz zuverlässig erkennen

Quantenkaskadenlaser senden Licht im mittleren Infrarotbereich aus. Das macht sie interessant für die Sicherheitstechnik oder die Produktions- und Prozesskontrolle. Denn jede chemische Substanz absorbiert einen bestimmten Anteil infraroten Lichts – ähnlich einzigartig wie ein menschlicher Fingerabdruck. Selbst kleinste Mengen lassen sich schnell identifizieren. Aktuellstes mögliches Anwendungsfeld: Die sichere Medikamentenherstellung.

Das bieten wir
Eine kompakte und spektral schnell abstimmbare Laserquelle im mittleren Infrarotbereich für innovative spektroskopische Sensorlösungen.
Das brauchen wir
Projektpartner, mit denen wir das innovative System in marktfähigen Produkten umsetzen können.

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. Unser Team am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF arbeitet 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. Bestrahlt man eine Substanz mit einer entsprechenden Lichtquelle, erhält man eine für den Stoff charakteristische Rückstreuung. Besonders gut eignet sich der Bereich des mittleren Infrarotspektrums (MIR), um Stoffe und Substanzen zweifelsfrei zu identifizieren. Moleküle weisen in diesem Spektralbereich ein charakteristisches Absorptionsverhalten auf, was das QCL-Messsystem hervorragend nachweisen kann.

Mithilfe der hohen spektralen Brillanz des Lasers und der schnellen Wellenlängenabstimmung sind rasch sehr exakte Rückschlüsse möglich – ähnlich einem menschlichen Fingerabdruck. Der entwickelte Quantenkaskadenlaser schafft es somit, selbst kleinste Mengen einer bestimmten Substanz in Echtzeit nachzuweisen, was eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu bisherigen Systemen darstellt.

Miniaturisierter, breitbandig spektral abstimmbarer Quantenkaskadenlaser mit Emissionswellenlängen im mittleren Infrarotbereich und hoher Scanfrequenz bis zu 1 kH. © Fraunhofer IAF

Mit der Laser-Lupe chemischen Substanzen auf der Spur

Derzeit macht unser Projektteam die Laser fit für den Einsatz in der Pharmabranche: Im Labor haben wir mit unserer 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 so 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.

Tragbarer Demonstrator für die berührungslose Identifizierung von Feststoffen, Projekt CHEQUERS. © Fraunhofer IAF

Die Ursprünge des Verfahrens liegen in dem Bereich der Sicherheitstechnik: Im EU-Projekt »CHEQUERS« entwickelten wir beispielsweise einen tragbaren auf Quantenkaskadenlasern basierenden Detektor, der explosive oder toxische Substanzen berührungslos aus sicherer Entfernung erkennen kann. Bei der Entwicklung hat das Fraunhofer IAF mit den Kolleginnen und Kollegen des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden zusammengearbeitet.

Aktuell suchen wir Industriepartner, um unseren Ansatz weiterzuentwickeln. Erste Gespräche haben bereits stattgefunden. Im nächsten Schritt wollen wir mit unserer Sensorik auch einzelne Substanzen einer Wirkstoffmischung quantifizieren.

Weitere Informationen zum Quantenkaskadenlaser, seinen Einsatzmöglichkeiten am Fraunhofer IAF und allgemein zum Bereich der Optoelektronischen Bauelemente finden Sie auf den Webseiten des Fraunhofer IAF.

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