Spektroskopie bietet enormes Potential für die medizinische Diagnostik, um schnell und zuverlässig den einzigartigen molekularen Fingerabdruck biologischer Proben zu bestimmen und damit beispielsweise Infektionserreger zu identifizieren. Optische Gitter bilden das technologische Herzstück spektroskopischer Systeme und helfen, das Licht optimal spektral aufzufächern.

Konventionelle Spektroskopie-Systeme sind in der Regel aufgrund ihrer Größe für portable sowie für Point-of-Care-Anwendungen wenig geeignet. Das Leibniz-IPHT ­arbeitete deshalb seit den frühen 2000er Jahren intensiv daran, kommerziell verfügbare spektroskopische Geräte zu miniaturisieren und sie universell für die Labordiagnostik einsatzfähig zu machen.

Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiteten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus drei Forschungsabteilungen des Instituts im Rahmen eines internen Innovationsprojektes gemeinsam an einem kompakten spektroskopischen Design. Die Forschungsaktivitäten zielten darauf ab, ein kleines, leichtes und mobil einsetzbares Gitterspektrometer zu entwickeln, das gegen existierende Gerätekonzepte bestehen, diesen jedoch hinsichtlich ihrer spektralen Auflösung in nichts nachstehen sollte.

Ein zentrales Element eines solch kleinen Spektrometers ist das optische Gitter. Verbaut im Inneren eines Spektrometers sorgen diese diffraktiven optischen Elemente (DOE) durch Beugung des Lichts für seine Zerlegung in seine spektralen Bestandteile. Über eine weitere optische Einheit wird das in verschiedene Wellenlängen getrennte Licht auf einem empfindlichen Detektor abgebildet, der das erzeugte Spektrum in detektierbare Signale umwandelt. Diese können anschließend zum Beispiel zur Erkennung von ­Infektionserregern genutzt werden.

Die Erforschung solcher spezialisierten Gitterstrukturen und ihrer ausgeklügelten technologischen Herstellungsverfahren wurde im Innovationsprojekt erfolgreich vorangetrieben. Durch den Einsatz der Elektronenstrahllithographie im Wafermaßstab und plasmabasierten Tiefätzverfahren konnten anspruchsvolle und hocheffiziente optische Gitterstrukturen und -geometrien hergestellt werden, die neue Möglichkeiten für das Spektrometer-Design eröffneten. Die so fabrizierten oval-geformten optischen Gitter haben in etwa die Größe einer 5-Cent-Münze und sorgen mit ihrer besonderen Architektur aus gekrümmten Gitterlinien und einem speziell strukturierten Gitterprofil für eine überaus effiziente Lichtbeugung. Sie ermöglichen es, die Komplexität der benötigen optischen Bauelemente eines Spektrometers zu reduzieren und dieses damit trotz hoher Auflösung deutlich kleiner zu gestalten.

Das gewonnene Know-how befähigte schließlich die Forschenden mit Raman2Go ein miniaturisiertes und tragbares spektroskopisches Set-up zu entwickeln. Als einfach zu handhabende Komplettlösung eignet sich Raman2Go für spektroskopische Untersuchungen im mobilen Einsatz sowie für Anwendungen außerhalb spezialisierter Labore.

Aktuell wird an der nächsten Generation des mobilen Spektroskopie-Systems Raman2Go gearbeitet, welches im neu entstehenden Leibniz-Zentrum für Photonik in der Infektionsforschung (LPI) zu einem marktfähigen Produkt weiterentwickelt wird. Forschende sollen damit ein schnelles und einfaches Instrument in der Beurteilung biologischer Proben und der patientennahen Infektionsdiagnostik erhalten.