Hochempfindlicher und hochspezifischer Atemgassensor basierend auf Molekülspektroskopie im Millimeterwellenlängenbereich
Phase 1 und 2
In diesem Projekt entwickeln wir einen Sensor zum Nachweis flüchtiger organischer Bestandteile (VOCs) in Atemgas. Der Atemgassensor basiert auf hochempfindlicher und hochspezifischer Molekülspektroskopie im Millimeterwellenlängenbereich. Atemgasanalyse ist ein vielversprechendes nicht-invasives Werkzeug zur medizinischen Diagnose.
Projektleitung und beteiligte Institute:
Prof. Dr. Heinz-Wilhelm Hübers, Humboldt-Universität zu Berlin, Institut für Physik, Optische Systeme
Dr. Klaus Schmalz, IHP, Circuit Design
Prof. Dr. Andreas Rembert Koczulla, Philipps-Universität Marburg
Forschungsgruppe:
Dr. Nick Rothbart, Humboldt-Universität zu Berlin, Institut für Physik, Optische Systeme
Johannes Borngräber, IHP, Circuit Design/mm-wave Wireless
M.Sc. Robin Siebers, Philipps-Universität Marburg
Thomas Damm, Philipps-Universität Marburg
Ziele
Allgemeine Zielsetzung: Entwicklung eines Gassensors auf Basis von Millimeterwellen-Molekülspektroskopie zur Analyse von Atemgas
1. Sender und Empfänger: Entwicklung von in der Frequenz durchstimmbaren Sendern und Heterodynempfängern, die den relevanten Frequenzbereich des Atemgassensors abdecken. Beide Einheiten sind mit integrierten On-Chip-Antennen ausgestattet und werden in SiGe BiCMOS-Technologie hergestellt.
2. Atemgassensor: Entwicklung eines kompakten Millimeterwellen-Atemgassensors, der neben Sender und Empfänger aus einer Gasabsorptionszelle und einem System zur Aufnahme der Atemproben besteht. Die Bestandteile des Gases werden mithilfe von multivariater Datenanalyse aus den Spektren identifiziert.
3. Medizinische Evaluation: Evaluation des Millimeterwellen-Atemgassensors im Hinblick auf Sensitivität und Spezifizität in einem klinischen Umfeld mit einer gesunden Kontrollgruppe und COPD-Patienten
Abstract
Flüchtige organische Bestandteile (VOCs) in ausgeatmeter Luft dienen als Biomarker. Einige Hundert VOCs konnten bisher in ausgeatmeter Luft nachgewiesen werden. Verschiedene pulmonale und nicht-pulmonale Krankheiten können biomedizinisch anhand von VOC-Profilen miteinander verglichen werden. Atemgasanalyse hat ein großes medizinisches Potential, da sie ungefährlich und nicht-invasiv ist.
Hochauflösende Millimeterwellen-/Terahertz-Gasspektroskopie eignet sich hervorragend zur hochempfindlichen und hochspezifischen Atemgasanalyse, da zahlreiche Moleküle gleichzeitig nachgewiesen werden können und so ein komplexes charakteristisches VOC-Profil erstellt werden kann. Viele Moleküle können aufgrund von Rotationsübergängen im relevanten Spektralbereich identifiziert werden.
Einen Vorstoß auf dem Gebiet der Millimeterwellen-/Terahertz-Gasspektroskopie bildet die rasante Entwicklung von siliziumbasierter Halbleiter-Technologie. Damit können immer höhere Cut-Off-Frequenzen erreicht werden, so sind SiGe BiCMOS Schaltkreise mit Frequenzen von über 200 GHz möglich. Es ist Ziel des Projekts, einen Atemgassensor basierend auf Millimeterwellen-/Terahertz-Gasspektroskopie in SiGe BiCMOS Technologie im Frequenzbereich um 250 GHz zu entwickeln.
Publikationen
Referierte Publikationen
Thamires Marques de Lima, Cristiane Mayumi Kazama, Andreas Rembert Koczulla, Pieter S Hiemstra, Mariangela Macchione, Ana Luisa Godoy Fernandes, Ubiratan de Paula Santos, Maria Lucia Bueno-Garcia, Dirce Maria Zanetta, de André CD, Paulo Hilario Nascimento Saldiva, Ph in exhaled breath condensate and nasal lavage as a biomarker of air 1 pollution-related inflammation in street traffic-controllers and office-workers, Naomi Kondo Nakagawa Clinics (Sao Paulo). 2013 Dec; 68(12):1488-94. [IF 1,59]
Tobias Rogosch, Nina Herrmann, Rolf F. Maier, Eugen Domann, Akira Hattesohl, Andreas Rembert Koczulla, Michael Zemlin, Detection of primary bloodstream infections and prediction of bronchopulmonary dysplasia in preterm neonates by using an electronic nose, J Pediatr. 2014 Jun 11. pii: S0022-3476(14)00407-7 [IF 4,3]
Haller A, Schuerg S, Schudt F, Koczulla AR, Mursina L, Gross V, Sohrabi K. Supporting Prolonged COPD Monitoring Using an Application for Mobile Devices. Stud Health Technol Inform. 2015; 212:154-8. [IF 0]
Utiyama DM, Yoshida CT, Goto DM, de Santana Carvalho T, de Paula Santos U, Koczulla AR, Saldiva PH, Nakagawa NK. The effects of smoking and smoking cessation on nasal mucociliary clearance, mucus properties and inflammation. Clinics (Sao Paulo). 2016 Jul;71(6):344-50. doi: 10.6061/clinics/2016(06)10. [IF 1,3]
Gaida, Arne; Holz, Olaf; Nell, Christoph; Schuchardt, Sven; Lavae-Mokhtari, Bianca; Kruse, Lena; Boas, Ursula; Langejuergen, Jens; Allers, Maria; Zimmermann, Stefan; Vogelmeier, Claus; Koczulla, Andreas; Hohlfeld, Jens A dual center study to compare breath volatile organic compounds from smokers and non-smokers with and without COPD" J Breath Res. 2016 Apr 15;10(2):026006 [IF 4,6]
K. Schmalz, J. Borngräber, W. Debski, M. Elkhouly, R. Wang, P. Neumaier, D. Kissinger und H.-W. Hübers, 245-GHz Transmitter Array in SiGe BiCMOS for Gas Spectroscopy, IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 6 (2), S. 318-327, 2016.
N. Rothbart, K. Schmalz, J. Borngräber, D. Kissinger und H.-W. Hübers, Gas Spectroscopy by Voltage-Frequency Tuning of a 245 GHz SiGe Transmitter and Receiver, IEEE Sensors Journal, 16 (24), 2015.
K. Schmalz, N. Rothbart, P. F.-X. Neumaier, J. Borngräber, H.-W. Hübers, and D. Kissinger, Gas Spectroscopy System for Breath Analysis at mm-wave/THz Using SiGe BiCMOS Circuits, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 65 (5), 2017 (Invited Paper).
M. H. Eissa, A. Awny, M. Ko, K. Schmalz, M. Elkhouly, A. Malignaggi, A.C. Ulusoy, and D. Kissinger, A 220–275 GHz Direct-Conversion Receiver in 130-nm SiGe:C BiCMOS Technology, IEEE Microwave and Wireless Components Letters, vol. 27, no. 7, pp. 675-677, July 2017.
Konferenzbeiträge
K. Schmalz, J. Borngräber, P. Neumaier, H.-W. Hübers und D. Kissinger, Sensor System in SiGe BiCMOS at 245 and 500 GHz for Gas Spectroscopy, Proc. of the 16th IEEE Topical Meeting on Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems (SiRF), Austin, Texas (USA), 2016.
K. Schmalz, J. Borngräber, P. Neumaier, N. Rothbart, D. Kissinger und H.-W. Hübers, Gas Spectroscopy System at 245 and 500 GHz using Transmitters and Receivers in SiGe, 2016 Global Symposium on Millimeter Waves (GSMM) & ESA Workshop on Millimetre-Wave Technology and Applications, Espoo (Finnland) 2016 (Best Paper Award).
W. Winkler und K. Schmalz, Silicon-Germanium RF-Frontends for Terahertz Radar Imaging and Gas Spectroscopy, Proceeding of 7th International Workshop on Terahertz Technology and Applications, (THz 2016), Kaiserslautern, 2016.
N. Rothbart, K. Schmalz, J. Borngräber, D. Kissinger und H.-W. Hübers, A Compact Gas Spectroscopy Sensor System Based on a Voltage-Frequency-Tuned 245 GHz SiGe Transmitter and Receiver, International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW), Kopenhagen (Dänemark), 2016.
K. Schmalz, J. Borngräber, S. B. Yilmaz, N. Rothbart, D. Kissinger und H.-W. Hübers, Gas Spectroscopy with 245 GHz Circuits in SiGe BiCMOS and Frac-N PLL for Frequency Ramps, IEEE Sensors Conference, Orlando, Florida (USA), 2016.
K. Schmalz, N. Rothbart, J. Borngräber, S. B. Yilmaz, D. Kissinger, und H.-W. Hübers, Gas spectroscopy system with 245 GHz transmitter and receiver in SiGe BiCMOS, in Proc. SPIE 10103, Terahertz, RF, Millimeter, and Submillimeter-Wave Technology and Applications X, San Francisco, Kalifornien (USA), 2017.
N. Rothbart, K. Schmalz, J. Borngräber, D. Kissinger und H.-W. Hübers, 245 GHz SiGe Transmitter and Heterodyne Receiver for Gas Spectroscopy, 28th International Symposium on Space Terahertz Technology, Köln, 2017.
N. Rothbart, K. Schmalz, J. Borngräber, D. Kissinger und H.-W. Hübers, Gas Sensing around 245 GHz with a SiGe Transmit/Receive System, German Terahertz Conference 2017, Bochum, 2017.
K. Schmalz, N. Rothbart, J. Borngräber, S. B. Yilmaz, D. Kissinger und Heinz-Wilhelm Hübers, Gas Spectroscopy with Transmitters and Receivers in SiGe BiCMOS for 225-273 GHz, SPIE Security + Defence, Warschau (Polen), 2017 (akzeptiert).
N. Rothbart, K. Schmalz, J. Borngräber, D. Kissinger und H.-W. Hübers, Gas detection with sub-ppm sensitivity based on a 245 GHz SiGe BiCMOS transmitter and receiver, International Conference on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW), Cancún (Mexiko), 2017 (akzeptiert).
M. H. Eissa , A. Malignaggi, M. Ko , K. Schmalz , J. Borngräber, A. C. Ulusoy,,and D. Kissinger, 216 – 256 GHz Fully Differential Frequency Multiplier-by-8 Chain with 0 dBm Output Power, European Microwave Conference, EuMC, Nuremberg, Germany, October 2017 (akzeptiert).
Workshops
N. Rothbart und H.-W. Hübers, Gassensorik mittels mmW/THz-Spektroskopie, PPA Seminar: Gasanalytik und Gefahrstoffdetektion, Schwerin, 2016.
K. Schmalz, N. Rothbart, H.-W. Hübers und D. Kissinger, Gas spectroscopy system for breath analysis at mm-wave/THz using circuits in SiGe BiCMOS, Workshop „Emerging Applications of THz”, International Microwave Symposium (IMS), Honolulu, Hawaii (USA), June 2017.