Markerfreie Analytik biologischer Moleküle: THz-Spektroskopie und Leitfähigkeitsuntersuchungen

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Markerfreie Analytik biologischer Moleküle:
THz-Spektroskopie und Leitfähigkeitsuntersuchungen

- Kurzfassung der Dissertationsschrift von Thomas Kleine-Ostmann -

Bioanalytische Verfahren kommen nicht nur in der medizinischen Grundlagenforschung zum Einsatz sondern haben bereits jetzt viele konkrete Anwendungen, zum Beispiel bei der Identifikation gefährlicher Substanzen. Viele dieser Verfahren nutzen Markermoleküle, um den Ausgang von Hybridisierungsreaktionen sichtbar zu machen. Da die Markierung der beteiligten Substanzen aufwändig und teuer ist und zudem die Verlässlichkeit der Testreaktionen herabsetzt, werden derzeit erhebliche Anstrengungen unternommen, um markerfreie Analyseverfahren zu entwickeln. Dazu kommt, dass wichtige physikalische Eigenschaften von Biomolekülen, beispielsweise die Leitfähigkeit von DNA-Strängen oder das Zustandekommen von Absorptionslinien im ferninfraroten Spektralbereich des elektromagnetischen Spektrums, nach wie vor Gegenstand der Forschung sind. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Arbeit Untersuchungen zur Leitfähigkeit von Biomolekülen einerseits, und zur Messung des Absorptionsspektrums von Biomolekülen im THz-Frequenzbereich andererseits, durchgeführt.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Messplatz zur Bestimmung der Strom-Spannungskennlinien an aufgetropften Proben auf Nanokontakten aufgebaut. Der Messplatz erlaubt die Bestimmung der Leitfähigkeit unter definierten atmosphärischen Bedingungen. In einem abgeschlossenen Messvolumen lassen sich Probentemperatur, Druck, Gaszusammensetzung und relative Feuchte einstellen. Durch Messungen an Proben hybridisierter und denaturierter DNA konnte gezeigt werden, dass die Leitfähigkeit exponentiell von der relativen Feuchte abhängt. Unter Normalatmosphäre, wie sie bei einem simplen Gentest herrschen würde, wird die Leitfähigkeit durch die Anlagerung von Wassermolekülen dominiert.

Zur Untersuchung der Dynamik von Deformationsschwingungen großer Moleküle kommt die THz-Zeitbereichsspektroskopie zum Einsatz. Die optoelektronische Generation von breitbandigen THz-Impulsen durch ultrakurze Laserimpulse ermöglicht Messungen im Spektralbereich zwischen den Mikrowellen und dem Infrarotlicht, der vor dem Aufkommen der Femtosekundenlaser nur sehr schwer für die Spektroskopie zugänglich war. Messungen an verschiedenen Molekülen, vorwiegend Tripeptiden, zeigen, dass bereits unterhalb einer Frequenz von 2 THz zahlreiche Absorptionsresonanzen auftreten, die zur Indentifizierung der Moleküle genutzt werden können. Der Vergleich von Messungen mit Rechnungen nach der Dichtefunktionaltheorie zeigt, dass die beobachteten Deformationsschwingungen überwiegend intramolekular sind und nicht, wie bisher angenommen, phononenartige Schwingungen im Festkörper darstellen. Die Berechnung gelingt um so genauer, je realistischer und meist auch größer das simulierte Molekülmodell ist. Mit der Messung unterschiedlicher Proben künstlicher RNA wurden auch größere Biomoleküle untersucht, die aufgrund der inhomogenen Linienverbreiterung keine diskreten Absorptionslinien aufweisen. Die Detektion kann in diesem Fall aufgrund der unterschiedlich starken Absorption erfolgen. Erstmals konnte gezeigt werden, dass die ortsaufgelöste Unterscheidung aufgetropfter Biomoleküle mit einem THz-Spektrometer in Freistrahlgeometrie möglich ist. Zukünftige Gentests mit THz-Strahlung könnten auf Messungen basieren, bei denen die THz-Wellen auf dem Chip generiert werden, entlang einer Streifenleitung mit Filterstruktur propagieren und nach der Wechselwirkung mit der aufgetropften Probe auf dem Chip detektiert werden. Für diese bereits demonstrierte Anwendung wurden im Rahmen der Arbeit neue, sensitivere Filterstrukturen entworfen und gefertigt.

Die THz-Zeitbereichsspektroskopie erfordert den Einsatz teurer und aufwändig zu betreibender Femtosekundenlaser. Kompakter und kostengünstiger ist die Generation kontinuierlicher THz-Strahlung durch Photomischung zweier Lasermoden einfacher Diodenlaser. Im Rahmen der Arbeit wurden zwei Spektrometer auf Basis unterschiedlicher Laserquellen aufgebaut und für erste, noch verbesserungswürdige Messungen an biologischen Proben eingesetzt. Mit dem Entwurf und der Herstellung effizienter Photomischer für die THz-Dauerstrichspektroskopie wurden erste Schritte zur Erhöhung der Abstrahlleistung unternommen.