Terahertz-Biosensorik: Metamaterial-basierte THz-Sensoren für biomedizinische Anwendungen

Abstract

Die COVID-19-Pandemie hat gezeigt, dass schnelle und empfindliche Testmethoden zum Nachweis von Viren und Biomolekülen wichtige Werkzeuge in der medizinischen Labordiagnostik darstellen. Durch die dynamische Entwicklung des Infektionsgeschehens und große Anstrengungen in Forschung und Entwicklung wurden enorme Fortschritte im Bereich der Entwicklung von mRNA-Impfstoffen und in der Einführung von personalisierten Testverfahren erzielt, wovon auch klassische Analysemethoden profitieren konnten. Es hat sich jedoch eindrücklich gezeigt, dass herkömmlich eingesetzte laborbasierte Diagnoseverfahren komplexe und zeitaufwendige Prozesse sind, die im dynamischen Umfeld einer Pandemie eine große Herausforderung für die medizinische Versorgung darstellen. So wird immer offensichtlicher, dass neue analytische Werkzeuge mit höheren Analysegeschwindigkeiten und erweiterten Anwendungsbereichen entwickelt werden müssen, um in Zukunft das Verständnis von Krankheitsmechanismen oder der Wirkung von Medikamenten voranzutreiben. Aufgrund der Existenz biomolekularer Resonanzen im Terahertz-(THz-)Frequenzbereich besteht seit den 2000er Jahren ein großes Interesse an der Untersuchung von Biomolekülen mittels THz-Technologien. Durch den Einsatz von feldverstärkenden Strukturen wie Metamaterialien kann deren Empfindlichkeit erheblich gesteigert werden, sodass THz-Biosensoren das Potential besitzen in physiologisch relevante Konzentrationsbereiche vorzudringen und diese damit zu vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung neuer Testverfahren macht. In dieser Arbeit wird ein THz-Sensor auf Basis von Metamaterialien in Form von komplementären Schlitz-Ringresonatoren (engl. complementary split ring resonator, CSRR) vorgestellt, der für biomedizinische Anwendungen entwickelt wurde. Die CSRR erzeugen eine scharfe Resonanz im Transmissionsspektrum, welche in Gegenwart einer dielektrischen Beladung zu einer niedrigeren Resonanzfrequenz hin verschoben wird. Durch diesen Mechanismus können die Vorteile von vorhandenen klassischen THz-Analysen wie markierungsfreie und schnelle Erkennung von Biomolekülen mit einer deutlichen Empfindlichkeitssteigerung und Selektivität kombiniert werden. Zusätzlich kann der Biosensor durch das Skalieren der geometrischen Dimensionen spezifisch für die Detektion eines Biomoleküls angepasst werden. Die Polarisationseigenschaften des Biosensors erlauben außerdem die zusätzliche Integration von mikrofluidischen Strukturen für Messungen in flüssigen Umgebungen. Diese stellen für THz-Analysen aufgrund der hohen Absorption in Wasser grundsätzlich eine große Herausforderung dar, was den Einsatz von dünnen Flüssigkeitsfilmen oder mikrofluidischen Strukturen erforderlich macht. In dieser Arbeit wird eine im Vergleich zu bisher veröffentlichten Ergebnissen extrem hohe Empfindlichkeit des THz-Biosensors in der Detektion von komplementären DNA (cDNA) Proben gezeigt, welche aus der menschlichen Melanom-Zelllinie MIA gewonnen wurden, ohne jedoch eine in der Regel erforderliche Vervielfältigung der DNA (Polymerase Kettenreaktion, engl. polymerase chain reaction, PCR) durchzuführen. In weiterführenden Experimenten kann außerdem nachgewiesen werden, dass sich die Verschiebung der Resonanzfrequenz für einzel- und doppelsträngige DNA unterscheidet und zudem von der Resonanzfrequenz des Sensors abhängig ist. Es wird eine ausführliche Übersicht über biomolekulare THz-Analysen in flüssigen Umgebungen gegeben und eine konzeptuelle Entwicklung und Analyse für Untersuchungen mit Metamaterial-basierten THz-Biosensoren mit Analyten in flüssiger Umgebung beschrieben, welche die Einführung einer in das Substrat integrierten mikrofluidischen Struktur beschreibt. Zusätzlich wird die Entwicklung der Messtechnik und von Designkonzepten ausführlich beschrieben, die für die Realisierung der THz-Biosensoren notwendig sind. Abschließend wird das Potential für die Entwicklung von Metamaterial-basierten THz-Biosensoren diskutiert und ein Ausblick für mögliche zukünftige Entwicklungen gegeben.

The COVID-19 pandemic has shown that rapid and sensitive test methods for the detection of viruses and biomolecules are important tools in medical laboratory diagnostics. With the dynamic development of the infectious event and great efforts in research and development, enormous progress has been made in the field of mRNA vaccine development and in the introduction of personalized testing methods, from which classical analytical methods could also benefit. However, it has become impressively clear that conventionally used laboratory-based diagnostic methods are complex and time-consuming processes that constitute a major challenge for medical care in the dynamic environment of a pandemic. Thus, it is becoming increasingly apparent that new analytical tools with increased analytical speeds and expanded application ranges need to be developed to advance future understanding of disease mechanisms or drug action. Due to the existence of biomolecular resonances in the terahertz (THz) frequency range, there has been a great interest in studying biomolecules using THz technologies since the 2000s. The use of field-enhancing structures such as metamaterials can significantly increase their sensitivity, giving THz biosensors the potential to reach physiologically relevant concentration ranges and thus making them promising candidates for the development of new testing methods. This work presents a THz sensor based on metamaterials in the form of a complementary split ring resonator (CSRR) developed for biomedical applications. The CSRR produce a sharp resonance in the transmission spectrum, which is shifted to a lower resonance frequency in the presence of a dielectric loading. This mechanism can combine the advantages of existing classical THz analyses, such as label-free and rapid detection of biomolecules, with a significant increase in sensitivity and selectivity. In addition, the biosensor can be specifically adapted for the detection of a biomolecule by scaling the geometric dimensions. The polarization properties of the biosensor also allow the additional integration of microfluidic structures for measurements in liquid environments. These are fundamentally challenging for THz analyses due to the high absorption in water, requiring the use of thin liquid films or microfluidic structures. In this work, an extremely high sensitivity of the THz biosensor in the detection of complementary DNA (cDNA) samples obtained from the human melanoma cell line MIA is demonstrated compared to previously published results, but without performing a usually required amplification of the DNA (polymerase chain reaction, PCR). Further experiments also demonstrate that the shift in resonance frequency differs for single- and double-stranded DNA and is also dependent on the resonance frequency of the sensor. A detailed review of biomolecular THz analyses in liquid environments is provided, and a conceptual development and analysis for studies using metamaterial-based THz biosensors with analytes in liquid environments is presented, describing the introduction of a microfluidic structure integrated into the substrate. In addition, the development of measurement technology and design concepts necessary for the realization of THz biosensors is described in detail. Finally, the potential for the development of metamaterial-based THz biosensors is discussed and an outlook for possible future developments is given.