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By: B.A. Nina Stegmann-Matthews, NanoFocus AG

In der Medizintechnik nehmen nicht nur die Produkte und Komponenten immer kleinere Dimensionen an. Gerade bei den Oberflächen sind Details entscheidend, die im Mikro- und Nanometerbereich liegen. Ein Beispiel hierfür sind mikrofluidische Systeme und transparente Mehrschichtsysteme, wie sie für Lab-on-a-Chip-Anwendungen eingesetzt werden. Um einen optimalen Transport von Zellen und Flüssigkeiten sowie exakte Durchflussmengen zu gewährleisten, spielen die Beschaffenheit der Oberfläche sowie Mikro- und Nanovolumen eine zentrale Rolle. Optische 3D-Mess-systeme gewinnen hier immer stärker an Bedeutung, da sie – flexibel einsetzbar – hochauflösende und aussagekräftige Messungen liefern.
 

Wo früher ein voll ausgestattetes Labor nötig war, genügt heute ein winzig kleiner Chip. Vielseitig einsetzbar, etwa bei der Analyse von Blutwerten für die Diagnostik, in der Medizin- und Wirkstoffforschung oder in der instrumentellen Analytik, übernehmen die Mikrolabore entscheidende Aufgaben. Umso wichtiger ist es, dass alle eingesetzten Komponenten höchsten Qualitätsstandards entsprechen und im Zusammenspiel von mikrofluidischen Systemen und Sensorchips zuverlässig Ihre Funktion erfüllen.
 

Die Oberhausener NanoFocus AG, Messtechnikausrüster für den Mikro- und Nanometerbereich, bietet hochpräzise 3D-Oberflächeninspektionssysteme an, die bestens für die hohen Anforderungen der Medizintechnik geeignet sind.

 

Der wesentliche Vorteil der berührungslosen 3D-Oberflächenanalyse gegenüber anderen, beispielsweise taktilen Verfahren oder der in der Medizin vielfach eingesetzten Rasterelektronenmikroskopie, ist ihre Schnelligkeit. Ohne zeitraubende Präparation der Proben stehen innerhalb von wenigen Sekunden aussagekräftige und wiederholgenaue Messwerte zur Verfügung. „Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass mit den optischen Systemen dreidimensionale Eigenschaften der Oberflächen beschrieben werden können, die mit zweidimensionalen Kennwerten alleine nicht eindeutig quantifizierbar sind“, erklärt Rouven Lenz, Leiter des Kundenzentrums Süd der NanoFocus AG. Entscheidende Faktoren, die Anwendern bei der Entwicklung und Qualitätskontrolle von Labs-on-a-Chip zugute kommen.

 

Mikrofluidische Systeme transportieren, trennen oder mischen Flüssigkeiten und Gase auf kleinstem Raum. Entscheidend für ihre Qualitätssicherung ist die Untersuchung der Produktoberfläche, da ihre Charakteristik die Fließeigenschaften der Fluide beeinflusst. Um diese zu gewährleisten und die Herstellungsprozesse zu optimieren, müssen verschiedene Parameter im Mikro- und Nanometerbereich überprüft werden.
 

Die Messaufgaben in der Mikrofluidik erfordern jedoch meist nicht eine punktuelle sondern flächenhafte Erfassung der Oberfläche. Bei diesen Voraussetzungen bietet sich ein scannendes 3D-Profilometersystem an. Es kommt auch mit den vorherrschenden Besonderheiten, sehr glatten Oberflächen und steilen Kanten gut zurecht. Um eine Aussage über die Qualität der Komponenten machen zu können, müssen die Teile, die zumeist im Spritzgussverfahren hergestellt werden, anhand mikrogeometrischer Parameter untersucht werden. Interessant sind hier vor allem die Querschnittsflächen, Höhen, Breiten und Volumen der Kanäle und Ventile.
 

Für die Analyse dieser sowie aller weiteren Parameter bietet die von dem Messtechnikhersteller entwickelte Auswertesoftware zahlreiche Darstellungsmöglichkeiten. Die Messdaten können als 3D-Bild, in Form einer Profilansicht oder in Form von Parametern tabellarisch visualisiert werden. So lässt sich per Knopfdruck die Höhenanalyse der Fläche, eine automatische Stufenmessung oder etwa die Rauheitsmessung der Kanalstruktur durchführen. Um die Kanäle beispielsweise exakt zu vermessen, können Profillinien über die Messung gelegt werden. Exakte Kennwerte lassen sich so schnell und wiederholgenau ermitteln. Der Protokollgenerator ermöglicht das einfache Erstellen von individuellen Analyseberichten mit
wenigen Klicks.

 

Das Kernstück eines Microlabs ist der Sensor-Chip. Dessen Oberfläche besteht aus einer Anordnung verschiedener Sensoren, die beispielsweise für die Ermittlung von Blutwerten sorgen. Diese Sensoren produzieren elektrische Signale als Reaktion auf jeweils einen im Blut enthaltenen Analyt. Dabei ist jedes Signal proportional zu der Konzentration des entsprechenden Stoffes im Blut. Es werden unterschiedliche Signalgeber genutzt, die beispielsweise die elektrische Leit-
fähigkeit oder deren Veränderung in einen Wert umsetzen. Eines haben die verschiedenen Sensoren, überzogen mit einer individuellen chemisch aktiven Substanz, jedoch gemeinsam: Auf die Füllmenge kommt es an.

 

Mit der Technologie können etwa die Kalium-, Kalzium- und Natriumkonzentration sowie Blutzucker-, pH-, Hämatokrit- und Laktatwerte gemessen werden. Um jeden Sensor auf eine bestimmte Substanz reagieren zu lassen, sind diese mit spezifischen Membranen abgedeckt. Diese werden als mikroskopisch kleiner Tropfen von wenigen Nanolitern aufgebracht. Ein maßgeschneidertes Dosiersystem platziert die Nanolitervolumen automatisch. Mit den Messsystemen auf Basis konfokaler 3D-Technologie werden nun die Überzüge der einzelnen Sensoren überprüft. Denn schon bei geringsten Abweichungen ist die Funktionsweise des Sensor-Chips beeinträchtigt. „Die transparenten Flüssigkeiten sind für optische Systeme eine besondere Herausforderung, jedoch für die NanoFocus-Systeme gut lösbar“, erklärt Dr. Josef Frohn, Vertriebsingenieur bei NanoFocus.

 

In vielen Fällen wird nicht nur eine sondern zwei Substanzen auf einen Sensor aufgebracht. Dann sind zwei Messungen erforderlich, jeweils nachdem eine Flüssigkeit aufgetragen wurde. Gemessen wird neben dem Volumen des Auftrags auch, ob die zuerst aufgebrachte Flüssigkeit von der zweiten komplett umschlossen ist. Des Weiteren ist die Oberfläche und Form der getrockneten Membranen interessant.
 

Die Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik steigen jedoch von der Entwicklung bis zur seriellen Produktion. Während bei Stichprobenkontrollen noch manuelle Einzelmessungen vorgenommen werden können, erfordert der Einstieg in die Serienproduktion einen automatisierten Messablauf. Die Messsysteme von NanoFocus sind aus diesem Grund nachrüstbar, wachsen sozusagen mit ihrer Messaufgabe. „Beispielsweise haben wir ein System entwickelt, mit dem über 400 Einzelchips auf einem Wafer automatisch vermessen und geprüft werden“, so Dr. Frohn. Unterstützt wird die Hardware dabei von der bewährten Automatisierungssoftware µsoft automation von NanoFocus. Diese kann unkompliziert auch nachträglich noch in das bestehende System integriert werden und bietet neben einer leichten Bedienbarkeit
standardisierte Messungen und Auswertungen ohne Benutzereinfluss. ■