Monolithisch integrierte Flüssigkeitsmessungen im MIR

Infrarote Strahlung erstreckt sich über den Wellenlängenbereich zwischen 750 Nanometer und 1 Millimeter des elektromagnetischen Spektrums. Sie ist für das menschliche Auge unsichtbar (sichtbares Licht liegt zwischen ca. 375 und 750 Nanometer), aber deckt den größten Anteil der thermischen Strahlung ab, die von Objekten bei Raumtemperatur abgegeben wird (Körperwärme). Im besonderen Licht im mittleren Infrarot (MIR), angesiedelt zwischen 3 und 30 Mikrometer Wellenlänge, ist von großem Interesse, da es den charakteristischen Molekül-Fingerabdruck-Bereich umfasst. Das ist jener Spektralbereich, in dem Moleküle ihre mit Abstand stärkste Licht-Absorption aufweisen, und deshalb besonders gut nachweisbar sind. Das schließt wichtige Treibhausgase wie CO2 oder N2O ein. Aber auch die Messung von Molekülen in der Flüssigphase wird heutzutage immer wichtiger, was verschiedene Beispiele wie die Messung von Kokain in Speichel oder die Analyse von Medikamenten und ihren Ausgangssubstanzen in der Pharmazeutik belegen. Im Gegensatz zur Gasphasenmessung, ist die Analyse von Flüssigkeiten im MIR ein neues Forschungsgebiet welches nach neuen Konzepten für hochintegrierte und vielseitig einsetzbare Messapparate verlangt. Innerhalb des Projektes LIQI-Sense werden solche neuen Konzepte untersucht, basierend auf speziellen, geleiteten MIR-Oberflächenwellen (plasmonische Oberflächen-Polaritonen). Diese zeigen gleichzeitig großen Überlapp mit dem umgebenden Medium (über 96%) als auch gute Wellenleitereigenschaften und sind deshalb außerordentlich gut zur Flüssigkeitsanalyse geeignet. Sie werden im Projekt zusammen mit einer neuen Klasse von MIR-emittierenden und halbleiterbasierten Laserquellen, sogenannten Quantenkaskadenasern (QCLs), verwendet. Durch die Kombination der speziellen plasmonischen Wellenleitergeometrie mit einem besonderen Design der Licht-erzeugenden QCL aktiven Zone, die identische Strahlung sowohl emittieren als auch absorbieren kann, entstehen so hoch-integrierbare Konzepte, die analysiert und mit bestehenden Konzepten verglichen werden können. Das Projekt wird in der Intersubband Optoelectronics Group von Prof. Strasser an der TU Wien durchgeführt. Professor Strassers Gruppe ist spezialisiert auf die MIR-Photonik und entwickelt neue Konzepte, die z. B. in der analytischen Chemie Anwendung finden. Als Nachweis der Umsetzbarkeit und zur Analyse und Optimierung des neuen Konzepts zur Flüssigspektroskopie, werden zwei Experimente in der Process Analytics Group von Prof. Bernhard Lendl, ebenfalls TU Wien, durchgeführt: die Analyse der Veränderung von lokalen 3D-Strukturen (Sekundärstruktur) der Modell-Proteine -Chymotrypsin und poly-L-lysin. Die Lendl-Gruppe ist spezialisiert auf die MIR Gas- und Flüssigphasen Molekül-Detektion, und hat bereits zahlreiche unterschiedliche Sensoren auf diesem Gebiet entwickelt.

Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich ist ein sensitives und selektives Verfahren zur Untersuchung von Gasen und Flüssigkeiten. Während solch eine Gas-Analytik heutzutage bereits in fortschrittlichen Messapparaturen verwendet wird, steckt die Flüssigspektroskopie noch in den Kinderschuhen. Die Untersuchung chemischer Reaktionen in bio-medizinischen Proben, z.B. für die Medikamentenherstellung, ist dabei ein wichtiges Themengebiet. Dennoch, ist die Realisierung hoch-moderner Echtzeitsensoren für dynamische Prozesse, eine lange bestehende Herausforderung der analytischen Chemie. Üblicherweise werden große, unhandliche Systeme verwendet, die eine zeitaufwendige Offline Analyse benötigen. Weiterentwicklungen wurden lange durch das Fehlen geeigneter Konzepte verhindert, die auch technisch realisierbar sind. Das liegt vor allem an den involvierten stark interdisziplinär geprägten Forschungsfragen der Optoelektronik, der Halbleitermaterialien und der bio-analytischen Chemie. Das Meitner-Projekt LIQI-Sense beantwortet diese durch ein neues photonisch-integriertes Messkonzept. Es nutzt aktuelle Pionierarbeiten der Quanten Kaskaden (QC) Technologie und kombiniert sie monolithisch integriert, zu robusten nur fingernagelgroßen Sensoren. Dafür werden sowohl Emitter (QC Laser), als auch Interaktionsbereich (oberflächensensitiver plasmonischer Wellenleiter) und Detektor (QC Detektor) zu sogenannten QCLD-Sensoren integriert. Simulationen im Rahmen des Projekts zeigen dabei die exzellente Eignung des Konzepts für die direkte Anwendung in Flüssigkeiten. Zum experimentellen Nachweis wird der thermische Denaturierungsprozess eines Proteins in Echtzeit analysiert. Dafür wird eine speziell während LIQI-Sense entwickelte, nur Mikroliter-benötigende, Flüssigkeitszelle verwendet. Darüber hinaus wird auch die Möglichkeit gezeigt, den kompletten Sensor (in-situ) in Flüssigkeiten einzutauschen. Die Untersuchung des dynamischen Prozesses sowie zusätzliche quantitative Messungen zeigen die hervorragende Performance der Messapparatur in Linearität, einer Abdeckung von 3 Größenordnungen von Proteinkonzentrationen, einem Detektionslimit im ppm-Bereich, und einer 55-fach verbesserten Absorbanz verglichen mit den großen Offline-Referenzsystemen. Zusätzlich wurden in LIQI-Sense auch Passivierungs- und Funktionalisierungs-Techniken der Sensoroberfläche untersucht. Weitere Arbeiten zeigen dabei auch, dass der Austausch der Oberflächenschicht einen noch weiteren Wellenlängenbereich erschließt, und Polymere helfen können Mid-Infrarot-Licht auf der Chip-Oberfläche auf gebogenen Bahnen zu leiten. Zusammenfassend eröffnet LIQI-Sense neue Möglichkeiten im Bereich der Echtzeit-Flüssigspektroskopie im mittleren Infrarot. Die Auswirkungen reichen weit über die gezeigten Protein-Messungen hinaus und erlauben es im Weiteren eine große Bandbreite zeitaufgelöster Prozesse in anderen chemischen Reaktionen zu untersuchen. Das wird auch durch die QC Plattform unterstützt, die den gesamten Bereich des mittleren Infrarots (~3-12 m) abdeckt, und somit weitere Arbeiten in den einzelnen beteiligten Forschungsgebieten auslösen wird.