Wissenschaftler des Instituts für Lasertechnik der Universität Osaka haben einen Prototyp eines optischen Terahertz-Spektroskopiesystems mit einer Erfassungsfläche entwickelt, die der Querschnittsfläche von nur fünf menschlichen Haaren entspricht. Durch Messen der Verschiebung der maximalen Transmissionswellenlänge einer Terahertz-Strahlungsquelle kann die Konzentration sogar von Spuren gelöster Verunreinigungen in einem winzigen Wassertropfen gemessen werden. Diese Arbeit kann zu tragbaren Sensoren für Anwendungen wie die Früherkennung von Krankheiten, die Arzneimittelentwicklung und die Überwachung der Wasserverschmutzung führen.
Die Lab-on-a-Chip-Technologie ist ein spannendes Forschungsgebiet. Die Möglichkeit, mit einem tragbaren Überwachungsgerät Patientenproben am Krankenbett zu testen oder die Wasserqualität draußen im Feld zu überwachen, ist sehr attraktiv. Es kann jedoch schwierig sein, eine starke Empfindlichkeit gegenüber der Konzentration von interessierenden Zielanalyten zu erreichen, insbesondere wenn Proben aus sehr kleinen Flüssigkeitsvolumina bestehen.
Jetzt hat ein Forscherteam der Universität Osaka eine proprietäre Terahertz-Strahlungsquelle in einem mikrofluidischen Chip verwendet, der eine Metamaterialstruktur enthält, um die Menge an Spurenkontamination in Wasser zu quantifizieren. „Mit diesem Lab-on-a-Chip-System konnten wir winzige Änderungen in der Konzentration von Spurenmengen von Ethanol, Glukose oder Mineralien in Wasser erkennen, indem wir die Verschiebung der Resonanzfrequenzen messen“, sagt Erstautor Kazunori Serita.
Das I-Design besteht aus einem Metallstreifen mit einem mikrometergroßen Zwischenraum, der zwischen anderen Metallstreifen liegt. Es ist periodisch in einer Reihe von fünf Einheiten angeordnet, die eine Art „Metaatom“ bildeten, in dem die maximale optische Durchlässigkeit je nach Anwesenheit von Spurenkontamination durch gelöste Moleküle variierte. Dieses Gerät ist eine Anwendung der Punkt-Terahertz-Quellentechnologie, die zuvor an der Universität Osaka entwickelt wurde. Eine winzige Terahertz-Lichtquelle wurde durch den Bestrahlungspunkt eines Femtosekundenpuls-Laserstrahls erzeugt, der in den Lückenbereichen einen eng begrenzten elektrischen Feldmodus induziert. Es modifiziert dann die Resonanzfrequenz, wenn ein im Zwischenraum zwischen den Metallstreifen hergestellter Mikrokanal mit der Probenlösung gefüllt wird.
„Wir konnten nur 472 Attomol gelöster Stoffe in Lösungen mit Volumina von weniger als 100 Picolitern nachweisen, was um eine Größenordnung besser ist als bei bestehenden mikrofluidischen Chips“, sagt Seniorautor Masayoshi Tonouchi. Diese Arbeit kann zu erheblichen Verbesserungen bei der tragbaren Sensorik führen, sowohl in Bezug auf die Empfindlichkeit als auch auf die erforderliche Flüssigkeitsmenge.
Die Studie erscheint im Zeitschrift für Physik: Photonik.
Kazunori Serita et al, I-Design-Terahertz-Mikrofluidik-Chip für die Messung auf Attomol-Ebene, Zeitschrift für Physik: Photonik (2022). DOI: 10.1088/2515-7647/ac691d