Nanobioanalytik mit On-Chip IR Mach-Zehnder Interferometern

Nanostrukturierte Systeme sind im Bereich biofunktioneller Strukturen und Oberflächen von wachsender Bedeutung. Der hier vorgeschlagene Forschungsansatz kombiniert in einzigartiger Weise biomolekulare Erkennung, nanostrukturierte Oberflächen und neuartige, on-Chip infrarot (IR) Sensorkonzepte und zielt auf Spurenanalyse im Nanomaßstab hinsichtlich struktureller Dimension, Querschnitt der molekularen Erkennungsfläche, benötigter Reagenzien, bestimmbarer Analytkonzentrationen und Verständnis der Wechselwirkungsprozesse im molekularen Bereich ab.

Eine besonders geeignete, weil hochempfindliche Sensorkonfiguration ist das Mach-Zehnder-Interferometer (MZI), das im sichtbaren Spektralbereich bereits erhebliche Erfolge vorzuweisen hat. Wird die Abfrage der Wechselwirkungen aus dem Sichtbaren in das mittlere Infrarot (MIR; 3-15 μm) verschoben, so ergeben sich folgende signifikante Vorteile, die im Rahmen dieses Projektes erstmals genutzt werden sollen: (i) die längeren Wellenlängen erhöhen die Toleranzen bei der Nanostrukturierung; (ii) evaneszente Felder dringen im MIR tiefer (einige μm) in das an die Lichtwellenleiteroberfläche angrenzende Medium ein und vergrößern dadurch das analytische Volumen, um auch Biomoleküle sensitiv (pico- bis femtomolar) erfassen zu können; (iii) im Phasendiagramm der Feldverteilung spielen Oberschwingungen bzw. „Fingerprints“ des MIR eine besondere Rolle zur inhärent selektiven molekularen Identifikation; und (iv) auch größere Biomoleküle bis zu ganzen Organismen (z.B. Bakterien) finden an den signalverstärkenden Oberflächen(nano)architekturen eine definierte Messumgebung.

Durch ortsaufgelöste Oberflächenmodifikationen können Gradienten bezüglich bestimmter Eigenschaften wie der Art der molekularen Erkennung oder der Oberflächenarchitektur erzeugt werden. Durch verschiedene Verfahren der Chemometrie und intelligentes Design kleiner Arrays kann ein hoher Informationsgehalt aus den Messungen extrahiert werden. Die Untersuchungen sollen zur Identifizierung von endokrin wirksamen Kontaminationen sowie von Bakterienstämmen führen.