18 Mai Strahlenharte Detektoren für Röntgendiffraktometer
Forscher des Fraunhofer IZM haben die Sensormodule strahlenharter Pixeldetektoren aufgebaut: hochauflösende Röntgenkameras, die unter anderem bei der Untersuchung eines Schlüsselenzyms für die SARS-CoV-2-Forschung halfen.
Ein zweiatomares Molekül misst nur etwa 0,1 nm. Selbst unter einem Rasterelektronenmikroskop sind höchstens die Umrisse dieser winzigen Einheiten zu erkennen. Um auf dieser Größenskala atomare Strukturen und Verbindungen analysieren zu können, verwenden Forscher beispielsweise den linearen Freie-Elektronen-Laser am SLAC National Accelerator Center, der eine besonders kurzwellige und energiereiche Röntgenstrahlung erzeugt. Mittels Röntgendiffraktometrie, also der Beugung von Röntgenstrahlung, untersuchen sie an derartigen Anlagen die Struktur von Molekülen und Kristallen und können dabei auf die Verteilung der Elektronen schließen – um dann die Anordnung von Molekülen zu simulieren und potenzielle Bindungsstellen zu finden.
Die Aussagekraft der Proteinanalyse wurde bislang dadurch geschwächt, dass sie bei Temperaturen unter -150 °C vorgenommen werden musste. Forschende am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM haben nun Detektormodule aus Silizium aufgebaut, mit denen medikamentöse Wirkprinzipien auf Proben bei Körpertemperatur übertragen werden können. Das erhöht die Analysegenauigkeit und ist eine Voraussetzung, um passgenaue Medikamente auf der Grundlage künstlicher Proteine zu entwickeln. Die Detektormodule der Fraunhofer-Forscher sind strahlenresistent und widerstehen so der im Freie-Elektronen-Laser erzeugten hochenergetischen Röntgenstrahlung, die den Pixeldetektor sonst beschädigen würde.
Si-Sensoren und ICs
Die Berliner Forschenden erhalten vom SLAC zwei Typen von Halbleiterwafern für die Detektormodule: Siliziumsensoren und Elektronikchips zur Auswertung der Signale. Sie erzeugen galvanisch auf den Wafern die Lotkontaktstellen, sogenannte Bumps, und trennen die hochsensiblen Wafer anschließend in einzelne Siliziumchips. Bei der Modulmontage wird ein Sensor- mit jeweils vier elektronischen Auslesechips elektrisch verbunden. Ziel ist es, mit einem Sensor so viel Detektionsfläche wie möglich abzudecken. Somit realisieren die Hardware-Experten des Fraunhofer IZM die Kernbausteine des finalen Detektors, der etwa die Größe einer Untertasse besitzt. Im Detektor ePix10k2M werden insgesamt 16 Module mit einer Auflösung von 352 x 384 Pixeln verwendet, wodurch eine aktive Fläche mit mehr als 2 Megapixeln entsteht.
Der Detektor am SLAC kann von unterschiedlichen Forschungsteams aus der ganzen Welt genutzt werden. Beispielsweise untersuchte ein internationales Forscherteam mit dem Pixeldetektor zwei sogenannte Apoproteine, die als Schwachstelle des Coronavirus gelten. Auf dieser Grundlage können bereits vorhandene Medikamente zur Behandlung des Schweren Akuten Respiratorischen Syndroms SARS-CoV-2 umgestaltet beziehungsweise können neue Wirkstoffe entwickelt werden.
Quelle und Bild: www.izm.fraunhofer.de
