Neue Materialien erleichtern die Umsetzung des Lab-on-a-Chip

Neue Materialien, die in Nanoantennen zum eingesetzt werden, um mittels Infrarotlicht bestimmte Moleküle zu erkennen, könnten uns dem Ziel, Diagnosen mithilfe eines einfachen Mikrochips durchzuführen, noch einen Schritt näher bringen.

Grundlagenforschung

Mit in Siliziumchips integrierten Nanoantennen können bestimmte Moleküle nachgewiesen werden, etwa zu medizinischen Zwecken, zum Auffinden von Sprengstoff oder auf der Suche nach umweltverschmutzenden Substanzen. Bestimmte Moleküle zeichnen sich durch charakteristische Schwingungsfrequenzen aus und können anhand dieses "Fingerabdrucks" entdeckt werden, wenn eine Substanz mit Infrarotlicht bestrahlt wird. Leitfähige Metallobjekte, deren Größe im Nanometerbereich liegt, dienen als Antenne, indem sie das Licht einfangen, fokussieren und so das Signal verstärken, das von diesen winzigen Mengen von Molekülen erzeugt wird. Derzeit bestehen diese mikroskopischen Antennen aus Metall, normalerweise aus Gold, da es eine hervorragende Leitfähigkeit aufweist. Nun untersuchen die EU-geförderten Wissenschaftler des Projekts GEMINI (Germanium mid-Infrared Plasmonics for Sensing) die Anwendung neuer Materialien wie Germanium, das im Periodensystem nahe bei Silizium liegt, um Gold in der Infrarotsensorik abzulösen. Zum Konsortium zählten das Polytechnikum Mailand und die Universität La Sapienza in Rom (Italien), die Universität Glasgow (Vereinigtes Königreich) sowie die Universität Konstanz (Deutschland). "Bei Germanium handelt es sich um einen Halbleiter, der vollständig mit auf Silizium ausgerichteten Fertigungsverfahren kompatibel ist", so Projektkoordinator Paolo Biagioni, Associate Professor für Physik am Polytechnikum Mailand und Experte für Plasmonik, dem wissenschaftlichen Feld, in dem aus Metall lichtempfindliche, nanoskalige Antennensysteme hergestellt werden. Das übergeordnete Ziel besteht darin, die automatisierten Schadstoffsensoren in Lab-on-a-Chip-Biosensoren zu integrieren. Metallbasierte Antennen sind jedoch nicht mit den etablierten Silizium-Fertigungsverfahren kompatibel und können nicht vollständig mit Halbleiterproduktionslinien für Siliziumchips kombiniert werden. Die Imitation von Metall "Wenn jedoch ein Halbleitermaterial mithilfe von Dotierung hergestellt wird – also durch das Einbringen von Fremdatomen wie Germanium in ein Grundmaterial (hier Phosphor) – kann erreicht werden, dass der Halbleiter bei optischen Frequenzen die Eigenschaften eines Metalls aufweist", sagt Professor Biagioni. Dies stelle bei Frequenzen innerhalb des optischen Spektrums zwar eine Herausforderung dar, jedoch könnten, so fügt er hinzu, dank des Projekts nun jedoch Halbleiter erstellt werden, die innerhalb des Infrarotspektrums Metalle imitieren. Siliziumwafer aus der mikroelektronischen Industrie werden dünn mit dotiertem Germanium beschichtet, und anschließend werden die Nanoantennen in die Germaniumschicht eingeätzt. "Hinsichtlich des Dotierungsniveaus des Germaniums erzielten wir Rekordwerte", sagt Biagioni, "sodass wir jetzt sicher sagen können, dass es sich gegenüber Metallen um eine tragfähige Alternative für Infrarotantennen handelt. Anwendungen für Sensoren Sensoren, die im mittleren Infrarotbereich arbeiten, können Gase in der Atmosphäre oder Analyten in einer Lösung von hoher Molekülspezifität nachweisen. Obwohl im GEMINI-Projekt im Großen und Ganzen Grundlagenforschung betrieben wurde und die Herstellung bestimmter Sensorgeräte kein direktes Ziel darstellte, konzentrierte sich das Team auch auf zwei wichtige Anwendungen – den Nachweis von flüssigen Sprengstoffimitaten und die Erkennung von DNA-Strängen in einer Lösung. Hinsichtlich der Sprengstoffimitate konnte das Team bereits das Stadium erreichen, in dem ein Konzeptnachweis zu erbringen ist. "Im Fall der DNA-Detektion können mithilfe des Infrarotlichts verschiedene Arten von DNA-Strängen voneinander unterschieden werden. Es gibt beispielsweise einzelsträngige und doppelsträngige DNA, und es muss festgestellt werden, wie stark jede dieser beiden Formen konzentriert ist", merkt er an. Diese Ergebnisse könnten die medizinische One-Chip-Diagnose und das Aufspüren einiger Umweltschadstoffe erheblich unterstützen.

Schlüsselbegriffe

GEMINI, Sensoren, Nanotechnologie, Diagnostik, Umwelt, Mikrochip, Gesundheit

GErmanium MId-infrared plasmoNIcs for sensing

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