Der optofluidische Lichtkäfig - ein neuartiges Konzept für das Tracking einzelner Nanoobjekte und die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Maier; Professor Dr. Markus A. Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Analytische Chemie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434371252

Die zentrale Fragestellung der Optofluidik ist die Wechselwirkung zwischen Licht und Flüssigkeiten mit einer Vielzahl von bioanalytischen Anwendungen, wobei eine Integration in mikrofluidische Umgebungen zunehmend notwendig wird. Zwei herausforderte Applikationen innerhalb der integrierten Mikrofluidik stellen das Tracking einzelner Nanoobjekte und die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) dar. Ersteres basiert auf der Analyse von diffundierenden Nanoobjekten mittels elastischer Lichtstreuung und liefert wesentliche Informationen über deren Eigenschaften und Wechselwirkungen. SERS nutzt lokale, durch Nanostrukturen generierte Feldüberhöhungen, um ansonsten kleine Raman-Querschnitte zu verstärken. Beide Anwendungen erfordern kleinste Probenvolumen und mikrofluidische Anbindung, welches idealerweise durch eine Kombination von planaren Wellenleiter und Mikrofluidik realisiert wird. Aufgrund des niedrigen Brechungsindexes erfordert die Lichtführung in Wasser-gefüllten Kernen mikrostrukturierte Mantelbereiche. Hier wurden mittels planarer Technologie Anti-Resonanz-Wellenleiter entwickelt, wobei eine aufwendige Herstellung und ein eingeschränkter Zugang zum Kernbereich eine großflächige Verbreitung verhindert haben. Somit gibt es derzeit keine planar-integrierte Hohlwellenleiter-Plattform, welche mit chip-basierten Mikrofluidik kompatibel ist und einen direkten Zugang zum Kernbereich ermöglicht.Im Rahmen dieses Projekts wird eine neuartige optofluidische Plattform - der optofluidische Lichtkäfig - untersucht, welche es ermöglicht, Nanoobjektdetektion und SERS wellenleiterintegriert durchzuführen. Das kürzlich von den Autoren vorgestellte Lichtkäfigkonzept basiert auf der anti-resonanten Lichtführung über Zentimeterdistanzen innerhalb eines Hohlkerns durch Gitter frei stehender dielektrischer Stränge. Der offene Raum zwischen den Strängen, welche hohe Aspekt-Verhältnisse (<1000) und Durchmesser weniger Mikrometer aufweisen, ist ein einzigartiges Merkmal dieses Konzepts und eröffnet einzigartige Möglichkeiten für beide Anwendungen. In Bezug auf Nanoobjektdetektion wird das Konzept schnelle Diffusion in den Kernbereich, direkte mikroskopische Detektion und hohen Partikeldurchsatz ermöglichen. Durch die Funktionalisierung der Stränge durch plasmonische Nanopartikel oder Metallschichten können Substanzen über SERS mit stark unterdrücktem Raman-Hintergrund identifiziert werden. Die Implementierung der Strukturen basiert auf 3D-Nanodrucken mittels direktem Laserschreiben und wird eine direkt Anbindung an die Mikrofluidik erlauben. Das Projekt umfasst theoretische Untersuchungen der zugrunde liegenden Physik, Design und Simulationen, Implementierung und Charakterisierung sowie Anwendung in den genannten Applikationen. Zusammenfassend ergibt das Projekt eine neuartige, mit Mikrofluidik kompatibel Plattform, welche das Potenzial hat, neue Anwendungen und Leistungsniveaus insbesondere in der Bioanalytik und Chemie zu erschließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen