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Operation of Cavity Optomechanics in Fluids for Ultrasensitive Mass Detection

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Nanodrahtsensoren dringen in Zellen ein

Licht und Materie agieren innerhalb nanooptomechanischer Systeme in spannenden Wechselwirkungen. Revolutionäre Bauelemente auf Nanodrahtbasis nutzen die Quantenkraft des Lichts aus und lassen darauf hoffen, dass damit die ultraempfindliche Erfassung molekularer Bewegungen in lebenden Zellen möglich wird.

Industrielle Technologien

In nanokleinen optomechanischen Hohlräumen werden Photonen von Spiegeln reflektiert. Deren Impuls wird ausreichend verstärkt, um die mechanische Auslenkung eines Oszillators zu verursachen. Mit dem Einsatz der Hohlraum-Nanomechanik zur Erfassung von Auslenkungen konnten Massen- und Kraftdetektoren mit bislang unerreichter Empfindlichkeit realisiert werden. Wird jedoch das mechanische System über die optische Wellenlänge hinaus (bis in den Subwellenlängenbereich) geschrumpft, entsteht Beugung und der Verstärkungseffekt wird vermindert. Das Projekt "Operation of cavity optomechanics in fluids for ultrasensitive mass detection" (OPTONANOMECH) nahm sich unter Einsatz von EU-Mitteln dieser und weiterer Herausforderungen an, um den Weg zu ultrasensitiven Messungen im Inneren einzelner lebender Zellen zu bereiten. Die Wissenschaftler konnten hier die Grenzen durch den Einsatz aktiver Oszillation zur Erzielung hoher Empfindlichkeit bei Raumtemperatur und ohne Vakuumbedingungen weiterstecken. Der nanomechanische Resonator ist Teil einer Photonikschaltung, bei der Aktivierung und Detektion volloptisch erfolgen. Durch die aus regenerativer Hohlraum-Back-Action resultierende Oszillation entfällt die Notwendigkeit einer konstanten Wechselstrom-Antriebskraft. Mit diesem Ansatz beseitigt man nicht nur die Größenbeschränkung, die durch elektrische Verbindungen auferlegt wird, noch wichtiger ist, dass das Beugungsproblem gelöst und eine bislang noch nie erreichte Empfindlichkeit gestattet wird. Hier öffnet sich die Tür für neuartige Hohlraumbauformen, mit denen Messungen am Quantenlimit zu erzielen sind, was aufgrund von Back-Action-Effekten die Grenze der Messgenauigkeit in Quanten-Größenordnungen darstellt. Ohne die Notwendigkeit der externen Anregung können neue Sensorausführungen erheblich vereinfacht werden. Mit der Verwendung eines optischen Erfassungssystems auf Halbleiternanodrahtbasis konnten die Wissenschaftler einige Zeptogramm (nahezu die Masse eines Protons oder Wasserstoffatoms) in Fluid mit kurzen Nanodrähten nachweisen. Eine derartige Empfindlichkeit könnte die Detektion einzelner Ligand-Rezeptor-Ereignisse ermöglichen, bei denen es zur Bindung von Molekülen an Rezeptoren nach dem Schloss-und-Schlüssel-Prinzip kommt. Derartige Ereignisse sind eine Säule der intra- und interzellulären Signalübertragung. Da die Nanodrähte die Zellmembran durchdringen können, ist das System gleichermaßen gut zur intrazellulären Arzneimittel- und Genabgabe sowie zur intrazellulären Überwachung geeignet. Mit einer ultrasensitiven Masse- und Krafterfassung bei Raumtemperatur und in Fluiden wird der Weg zur Erfassung von dynamischen biologischen Ereignisse unter realen Bedingungen und in Echtzeit geebnet. Wird dieses Potenzial aus dem Labor in die Klinik gebracht, so wird man ein revolutionär neues Werkzeug für Diagnose, Überwachung und Therapie in die Hand bekommen. Und OPTONANOMECH wirkt hier wegbereitend.

Schlüsselbegriffe

Nanodrahtsensoren, optomechanisch, ultraempfindliche Erfassung, lebende Zellen, Subwellenlänge, Hohlraum-Optomechanik, aktive Oszillation, Back-Action, optisches Erfassungssystem, Fluid, intrazelluläre Überwachung

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28 Mai 2021