Fraunhofer IAF stärkt Nanoporenforschung mit nanodiag BW und Nanopod

Das Fraunhofer IAF baut seine Aktivitäten im Bereich der Nanoporentechnologie aus. Im Zukunftscluster nanodiag BW und im wissenschaftlichen Vorprojekt Nanopod entwickelt das Institut Schlüsseltechnologien für hochsensitive Sensorsysteme, die einzelne Viren, Proteine und andere nanoskopische Partikel in Echtzeit nachweisen sollen. Ziel ist es, hochwertige, reproduzierbare Festkörpermembranen für industrielle Anwendungen nutzbar zu machen.

Nanoporen sind winzige Öffnungen im Nanometerbereich in dünnen Membranen, die als hochsensitive »Durchgangstore« für einzelne Moleküle und Partikel dienen. Wenn Proteine, DNA-Stränge oder Viren diese Poren passieren, verändern sie messbare elektrische oder optische Signale, aus denen sich Informationen über Struktur und Zusammensetzung gewinnen lassen. Die Technologie findet vor allem in der molekularen Diagnostik Anwendung – etwa zur Analyse von Proteinen und epigenetischen Modifikationen oder zur Detektion von Viren.

nanodiag BW: Zukunftscluster für molekulare Diagnostik

Der Zukunftscluster nanodiag BW startete im April 2026 in seine zweite Projektphase. Ziel ist eine neue Generation molekularer Diagnostik auf Basis der Nanoporentechnologie, die eine Echtzeit-Analyse einzelner Proteinabschnitte ermöglicht. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf epigenetischen Modifikationen, die bei Erkrankungen wie Krebs oder neurodegenerativen Krankheiten eine wichtige Rolle spielen. Durch kostengünstige, vor Ort einsetzbare Verfahren soll die Diagnostik dieser Marker zur niederschwelligen Alternative zur Massenspektrometrie werden. Der Cluster wird von Hahn-Schickard und der Medizinischen Fakultät der Universität Freiburg koordiniert und vereint mehr als 20 Partner aus Forschung und Industrie in Baden-Württemberg.

Als neu hinzugekommener Projektpartner übernimmt das Fraunhofer IAF eine zentrale Rolle bei der Entwicklung der Festkörpernanoporen. Mithilfe robuster Reinraumprozesse aus Elektronenstrahllithographie, Trockenätzung und Membrantechnologie entstehen skalierbare Nanoporen-Arrays in dünnen Siliziumnitrid-(SiN)-Membranen, die anschließend mit Zero-Mode-Waveguides (ZMWs) integriert werden. Diese Nanoporenmembranen bilden das Sensorelement des geplanten Analysators, der einzelne fluoreszenzmarkierte Viren, extrazelluläre Vesikel und andere biologische Partikel im Größenbereich von 5 bis 250 Nanometern hochparallel optisch detektieren soll.

Nanopod: Nanoporenanalysator für optische Detektion von Fremdviren

Eng mit dem Cluster verknüpft ist das Vorprojekt Nanopod, in dem das Fraunhofer IAF skalierbare Festkörpernanoporen in dielektrischen Siliziumnitrid-Membranen entwickelt. Auch hier steht die Integration mit Zero-Mode-Waveguides im Fokus, um Sensitivität und Spezifität bei der Einzelmoleküldetektion weiter zu steigern und eine mittelfristige Kommerzialisierung zu ermöglichen.

Nanopod erprobt hierfür einen innovativen Prozess, bei dem Nanoporen mittels Elektronenstrahllithographie bereits vor der Membranfreistellung strukturiert werden. Das Fraunhofer IAF optimiert dabei Lackprozesse, Beschichtungsbedingungen und Belichtungsparameter, um Lackaperturen von etwa 100 Nanometern und darunter reproduzierbar zu erzeugen. Parallel dazu werden trockenchemische Ätzprozesse für 30 bis 50 Nanometer dünne SiN-Membranen weiterentwickelt, um hohe Strukturqualität bei ausreichender mechanischer Stabilität zu gewährleisten. Das Ergebnis soll eine hochparallele optische Sensorplattform sein, die nanoskopische Partikel bis in den fM-Konzentrationsbereich quantifiziert.

Mit diesen Arbeiten schließt das Fraunhofer IAF eine zentrale Lücke der internationalen Nanoporenforschung: die Verfügbarkeit hochwertiger, reproduzierbarer Festkörpermembranen in größeren Stückzahlen. Gleichzeitig legt das Institut damit die Basis für zukünftige industrielle Anwendungen – von der Diagnostik und Biomedizin bis hin zu hochsensitiver Quantensensorik.