Molekulare Spektroskopie mit spektral scharf auflösenden Meta-Oberflächen

• Antragsteller: Dr. Andreas Tittl
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423258739

Mittelinfrarot-Absorptionsspektroskopie liefert einzigartige Informationen über die innere Zusammensetzung biologischer Systeme durch die Detektion der charakteristischen Vibrationsbanden der beteiligten Moleküle. Resonante metallische Nanoantennen fokussieren Mittelinfrarotlicht in nanometer-große Bereiche, was die Anwendung solcher Ansätze auf dünne biologische Membran-Systeme und geringe Molekülzahlen erlaubt. Jedoch stellen Ohm’sche Verluste bislang eine signifikante Begrenzung für das Auflösungsvermögen in solchen metall-basierten Systemen dar, speziell wenn die komplexen Wechselwirkungen mehrerer biologischer Komponenten untersucht werden sollen. Im beantragten Projekt werde ich neuartige, komplett aus dielektrischen Materialien bestehende Meta-Oberflächen entwickeln und für die Untersuchung von Zellkommunikations- und Migrationsprozessen einsetzen. Speziell werde ich Meta-Oberflächen mit extrem scharfen Resonanzen und hoher Nahfeld-Verstärkung entwerfen um die charakteristischen Absorptions-Signaturen von Biomolekülen zu detektieren. Im Unterschied zu bisherigen metallischen Nanoantennen mit vergleichsweise breiten Resonanzen, können dielektrische Meta-Oberflächen mehrere Absorptionsbanden an verschiedenen spektralen Positionen gezielt verstärken und auslesen, selbst wenn diese über einen breiten Spektralbereich verteilt sind. Mit dieser neuartigen Methode werde ich zunächst biologische Prozesse im Zusammenhang mit der Perforation von Zellmembranen durch das zytolytische Protein Perforin untersuchen, welches eine bedeutende Rolle für die Funktionen des Immunsystems spielt. Anschließend werde ich schaltbare spektral-selektive Meta-Oberflächen mit spektroskopischer Bildgebung kombinieren um die räumliche Verteilung verschiedener molekularer Komponenten in einem biologischen System zu detektieren. Diese Experimente liefern tiefgreifende Erkenntnisse zur Zellkommunikation, indem sie, z.B., in Ensembles von Krebszellen sowohl die Menge als auch die räumliche Verteilung von ausgeschütteten Signalmolekülen auflösen. Im Rahmen des Projekts werden hochmoderne experimentelle und theoretische Methoden angewendet, angefangen von elektromagnetischen Feld-Simulationen und hochauflösender Elektronenstrahl-Lithographie bis hin zu komplexer Mikrofluidik für die Untersuchung von Prozessen in dynamischen biologischen Systemen. Zusätzlich greift es auf die umfangreiche Nanooptik- und Sensorik-Erfahrung der aufnehmenden Gruppe von Prof. Maier, sowie auf die exzellente Infrastruktur der LMU München in den Bereichen Nanotechnologie und Biologie zurück.Die geplanten Arbeiten überwinden fundamentale Einschränkungen aktueller Ansätze und eröffnen dadurch eine neue Forschungsrichtung im Kontext der oberflächenverstärkten Infrarotspektroskopie. Die Kombination neuentwickelter Meta-Oberflächen und Detektions-Ansätze schafft eine vielseite Sensorplatform, die es erlaubt tiefgreifende biologische Fragestellungen in Multi-Zellularen Systemen zu beantworten.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Großgeräte: FTIR-Spektrometer inkl. Mikroskop
• Gerätegruppe: 1830 Fourier-Transform-IR-Spektrometer