Christian Debus
A High-Sensitivity THz-Sensing Technology for DNA Detection with Split-Ring Resonator based Biochips
Zusammenfassung
Die Detektion und Charakterisierung von dünnen dielektrischen Schichten und Biomolekülen sind von großem Interesse in der THz‐Forschung, da viele Materialien charakteristische Eigenschaften in diesem Frequenzbereich aufweisen. Um Schichten, die sehr viel dünner sind als eine Wellenlänge, oder Materialmengen im Femtomol‐Bereich zu detektieren werden spezielle Sensoren benötigt. Die Sensoren bestimmen die Permittivität bzw. den Brechungsindex eines Materials über die Laufzeitverzögerung des Signals in der Zeitbereichsmessung oder über das Verstimmen eines Resonators im Frequenzbereich. Biochips im Speziellen dienen der Detektion von Molekülen im sub‐µm Größenbereich, z.B. DNA oder Proteine.
Zu Beginn der vorliegenden Arbeit wird der Stand der Technik in der THz‐Dünnschichtmessung dargestellt und beurteilt. Die Entwicklung hin zur Detektion immer dünnerer Schichten führt zu der Erkenntnis, dass Resonatoren mit einer hohen Güte erforderlich sind,damit ihnen eine effizientere Interaktion von Probe und elektrischem Feld möglich ist. Dazu wird der asymmetrische doppelt geschlitzte Ringresonator (asymmetric double‐split ring resonator – aDSR) erforscht. Er zeigt eine spektral scharfe Resonanz kombiniert mit einer starken Konzentration des elektrischen Feldes. Der aDSR wird periodisch angeordnet, entsprechend einer frequenzselektiven Oberfläche, die als zentrales resonantes Element des Biochips verwendet wird, um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen. Die Entwicklung dieses Biochips berücksichtigt neben Materialeigenschaften auch praktische und kommerzielle Aspekte. Der fertige Biochip ist eine strukturierte dreistöckige Metallschicht auf einem Glassubstrat,wobei die Strukturkanten unterätzt sind.
Zusätzlich wird ein Lesegerät für die Biochips entwickelt, das hinsichtlich einer Anwendung in biomedizinischen Labors ausgelegt wird. Gemessen an aktuell eingesetzter THz‐Technologie ist das Lesegerät klein, einfach zu bedienen, erfordert wenig Wartung und hat reduzierte Investitionskosten. Das Lesegerät ist im Wesentlichen ein voll‐elektronisches Spektrometer für den Frequenzbereich von 240 bis 320 GHz und benötigt für eine Messung 110 Millisekunden. Das System ist kompakter und preiswerter als ein vollwertiges Laborspektrometer, da nur ein spannungsgesteuerter Oszillator (VCO) verwendet wird. Die Hochfrequenz wird in Diodenmischern erzeugt und heterodyne Detektion wird künstlich durch das Zusammenspiel von Frequenzdurchlauf und Laufzeitverzögerung ermöglicht.
Die Funktionsfähigkeit von Biochip und Lesegerät wird demonstriert und durch Vergleichsmessungen mit THz‐TDS bestätigt. Die Fähigkeit zur Detektion dünner Schichten wird anhand von dünnen Filmen aus Lacken bzw. Gelatine experimentell nachgewiesen. Hybridisierte DNA, die mittels Oberflächenfunktionalisierung an ausgewählten Stellen auf dem Biochip deponiert wird, wird detektiert. Diese Detektion kann jedoch nicht durch weitere Messreihen bestätigt werden. Gründe für diesen Ausfall werden.