Ultrasensing im Nahfeld: polaritonverstärkte Detektion molekularer Fingerabdrücke

• Antragsteller: Dr. Bernd Kästner
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 529998081

Die Analytische Chemie spielt aufgrund ihrer fortlaufenden Entwicklung zu höherer Empfindlichkeit und Selektivität bei gleichzeitiger Reduktion der Kosten eine immer wichtigere Rolle in der Gesellschaft. Beispiele sind die Lebensmittel- und Umweltanalytik, die klinisch-chemischen Analytik oder die Qualitätskontrolle industrieller Produkte. Solche Entwicklungen beginnen immer mit einem besseren Verständnis grundlegender Prozesse, grundlegender technischer Neuerungen oder der Erschließung neuer Materialien. Das UltraSNOM-Projekt wird eine neue nanophotonische chemische Analysemodalität entwickeln und untersuchen um eine ultrahohe Nachweisempfindlichkeit zu erreichen. Wir werden eine derzeit aufkommende, AFM-basierte Spektromikroskopietechnik, die Streulichtnahfeldmikroskopie (sSNOM), mit Graphenstrukturen integrieren. In unseren Experimenten koppelt die AFM-Spitze des sSNOM-Instruments das Licht im Nahfeld in die Graphenstruktur, in die eine winzige Menge Analyt eingebracht wird. Die Technik erreicht eine laterale Auflösung von bis zu zwanzig Nanometern, was sich in extrem kleinen Mengen an untersuchten Volumina niederschlägt. Durch die Kopplung zwischen den Plasmon-Polaritonen von Graphen und den molekularen Schwingungen des Analyten werden wir eine ultrahohe Nachweisempfindlichkeit erreichen. Unsere Experimente werden an zwei Synchrotron-Strahlrohren in Deutschland und Frankreich durchgeführt, deren Spektralbereich sich vom Terahertz bis zum fernen Infraroten erstreckt, der für das chemische Fingerprinting relevant ist, da laborbasierte Lichtquellen kein Licht mit ausreichend hoher Intensität liefern können. Um die bestmögliche Kopplung und Detektion zu erreichen, werden wir die AFM-Spitzen modellieren, charakterisieren und optimieren und thermoelektrische Detektion im Terahertz-Bereich einsetzen, wo sSNOM-taugliche Detektoren fehlen. Ein weiterer Baustein ist die Methode des Compressed Sensings, die das Signal-Rausch-Verhältnis der Messungen verbessert, da weniger Zeit benötigt wird, um ein einzelnes Spektrum zu akkumulieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Ferenc Borondics