LEDs zur In-vitro-Diagnostik Kostengünstige LEDs für zeitaufgelöste Fluoreszenzmesstechnik

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Ein Forscher aus Thüringen hat eine kompakte Schaltungstopologie für eine hochdynamische Ansteuerung von LEDs zur zeitaufgelösten Fluoreszenzmessung entwickelt. Für diese Arbeit wurde er mit dem Silicon Science Award ausgezeichnet.

Vincent Haude vom IMMS-Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme wurde am 3. Dezember 2025 auf der internationalen Waferbond25-Konferenz in Chemnitz mit dem Silicon Science Award ausgezeichnet. In seiner an der TU Ilmenau und dem IMMS betreuten Bachelorarbeit mit dem Titel „Entwicklung und Charakterisierung einer Schaltungstopologie zur Erzeugung kurzer LED-Lichtpulse“ erzielt er deutliche Verbesserungen bei der optischen Schaltzeit von LEDs für Point-of-Care-Diagnostiksysteme.

Das Funktionsprinzip einer zeitaufgelösten Fluoreszenz

„Fluoreszenzfarbstoffe setzt man zum Beispiel in der In-vitro-Diagnostik als Marker ein“, erklärt Vincent Haude. Mit ihrer Hilfe ließen sich selbst geringste Konzentrationen von Erregern mit Analysegeräten in Speziallaboren nachweisen, die mit Standard-Tests nicht erfassbar wären. „Will man wie das IMMS mobile Diagnostik-Systeme bauen, ist das natürlich interessant.“

Die Farbstoffe emittieren Licht einer charakteristischen Wellenlänge, wenn sie mit Licht einer anderen Wellenlänge angeregt werden. Je nach Farbstoff ist diese Fluoreszenz über wenige Nanosekunden bis Mikrosekunden sichtbar und messbar – vorausgesetzt, sie überlagert sich nicht mit dem Anregungslicht. Das IMMS entwickelt halbleiterbasierte Mikroelektronik-Chips, mit denen die Intensität des Fluoreszenzlichts zeitaufgelöst erfasst wird. Hierbei wird das emittierte Licht gemessen, nachdem das Anregungslicht einer LED abgeschaltet und abgeklungen ist.

Kostengünstige Alternative zu Lasern

„Man kann die Farbstoffe auch genauso mit Lasern anregen, die sind aber bei diesen Wellenlängen relativ teuer“, führt Haude weiter aus. Mit optischen Filtern könne man Anregungslicht und Fluoreszenzlicht wie in den großen Laboranalysegeräten zwar auch trennen, das vergrößere aber auch den Bauraum und die Kosten.

„Wir wollen kostengünstige mobile Systeme entwickeln, deswegen möchten wir am IMMS Standard-LEDs als Pulslichtquellen nutzen“, erklärt Haude. Je schneller und besser sich diese an- und abschalten ließen, desto flexibler und verlässlicher könne man sie für verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe und somit Anwendungen nutzen.

Die systematische Entwicklung von der Theorie zur Praxis

Um dieses Ziel zu erreichen, hat Vincent Haude auf Basis der detailliert recherchierten physikalischen Grundlagen die relevanten Parameter herausgearbeitet, die das dynamische Schaltverhalten von LEDs beeinflussen. Mit diesen Erkenntnissen hat er kommerziell erhältliche Standard-LEDs mit Blick auf ihr Abschaltverhalten ausgewählt, hierfür Pulstreiberschaltungen für LEDs recherchiert und entwickelt, ausgewählte Schaltungen simuliert, hochfrequenzoptimierte Layouts erstellt und auf Leiterplatten als Charakterisierungs-Setup aufgebaut. Diese Schaltungen und die ausgewählten LEDs hat er sowohl elektrisch als auch optisch vermessen.

Technische Durchbrüche

„Vincent Haude konnte das Nachleuchten der LEDs mithilfe optimierter Schaltungen auf wenige Nanosekunden reduzieren“, erklärt Alexander Rolapp, Spezialist für die Charakterisierung und den Test integrierter Schaltungen am IMMS und Betreuer der Bachelor-Arbeit. „Das Limit war dabei immer die LED selbst und nie die Schaltung.“ Auf dieser Grundlage habe Vincent Haude ein sehr kompaktes LED-Pulssystem entwickelt, das die optische Dynamik und die optischen Schaltzeiten von LEDs nicht nur deutlich verbessere, sondern sich auch problemlos in bestehende Aufbauten integrieren lasse.

„LEDs in dieser Form aktiv abzuschalten verschiebt ihre Dynamik für die für uns interessanten Anwendungen in Bereiche, die sonst nur Lasern vorbehalten sind“, fasst es Rolapp abschließend zusammen. Somit sind die Erkenntnisse von Vincent Haude und sein Charakterisierungs-Setup ein wichtiger Baustein, der die künftige Forschung und Entwicklung zur zeitaufgelösten Fluoreszenz wesentlich voranbringen wird. (heh)

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