Projekt

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Field-enhanced chemical-optical spectroscopy platform for molecular sensing

Titel Englisch Field-enhanced chemical-optical spectroscopy platform for molecular sensing
Gesuchsteller/in Lörtscher Emanuel
Nummer 152944
Förderungsinstrument Interdisziplinäre Projekte
Forschungseinrichtung IBM Research GmbH
Hochschule Firmen/Privatwirtschaft - FP
Hauptdisziplin Andere Gebiete der Physik
Beginn/Ende 01.09.2014 - 31.08.2018
Bewilligter Betrag 924'703.00
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Alle Disziplinen (2)

Disziplin
Andere Gebiete der Physik
Anorganische Chemie

Keywords (9)

Plasmonics; Top-down fabrication; Bottom-up fabrication; Nanotechnology; Spectroscopy; Colloidal Synthesis; Receptor-analyte system; Luminescence; Surface-Enhanced Raman Spectroscopy

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Feldverstärkte, chemisch-optische Plattform für die spektroskopische Detektion molekularer StrukturenFrei bewegliche Elektronen in Metallen werden unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung (wie z.B. Licht) zu kollektiven Oszillationen angeregt und es entstehen sogenannte Plasmonen. Dadurch entstehen hohe Felder im Nahbereich der Oberfläche, welche es ermöglichen, Licht gezielt zu leiten und in sehr hohen Felddichten in kleinsten Volumina zu konzentrieren. Unter optimalen Bedingungen führt dies zu einer Empfindlichkeit, welche es ermöglicht, die spektralen Eigenschaften von einem einzelnen Molekül optisch zu erfassen. Geeignete chemische Andockstellen welche selektiv Stoffe auf der Metalloberfläche binden, ermöglichen es, Kleinstmengen davon spektroskopisch nachzuweisen, was idealen Sensoreigenschaften hinsichtlich Empfindlichkeit und Selektivität für Anwendungen in der Umweltüberwachung oder der chemischen Analyse nahe kommt.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Unser übergeordnetes Ziel ist, plasmonische Strukturen zusimulieren und herzustellen, welche höchstmögliche Feldverstärkungen erzeugenum eine grösstmögliche Empfindlichkeitfür molekulare Detektion zu erreichen. Dafür ist eine nanometergenaueHerstellung notwendig. Mit chemischen Mitteln - basierend auf emissions-verstärkendeRezeptoren - werden diese Strukturen im Weiteren funktionalisiert, damit dienachzuweisenden Analyte selektivgebunden werden. Das Rezeptor-Analyt System erzeugt eine charakteristische Lichtemissionund Ramanstreuung, welche spektral nachweisbar ist. Durch Änderung deroptischen Auswahlregeln unter hohen Feldgradienten werden zusätzlich Infrarot-Modenzur Emission angeregt, was es ermöglicht, erweiterte spektroskopischeInformation zu erhalten. Das Projekt resultiert in der Entwicklung einergenerischen Plattform für optische Nahfeld-Spektroskopie deren Wirkungsweiseanhand der Detektion von Aminen, Hydrazinen, halogenierten Kohlenwasserstoffen,Kohlenstoffmonoxid und Ethylen exemplarisch gezeigt wird.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext desForschungsprojekts

Unser Projekt wird grundsätzlich neue wissenschaftlichInformationen über das Verhalten von optischen Nahfeldern generieren. DieInteraktion von plasmonischen Polaritonen und Molekülschwingungen werdengrundlegend und systematisch erforscht. Aufgrund der bisher unerreichten Herstellungsgenauigkeitwerden neuartige Felder der Optik eröffnet, in denen neuartige physikalischeEffekte vorhergesagt wurden, wie z.B. die nichtlineare Quantenoptik.

Neben den wissenschaftlichen Ergebnissenwerden anwendungs- und lösungsorientierte Ziele angestrebt. So entsteht einespektroskopische Platform für ein günstiges, versorgungsunabhängiges und damitgenaueres Umweltmonitoring als bisher, was Hinweise auf Umweltverschmutzung undden Schutz der Bevölkerung vor Umweltrisiken erlaubt.

Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 19.05.2014

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Abstract

Feldverstärkte, chemisch-optische Plattform für die spektroskopische Detektion molekularer StrukturenSpectroscopie optico-chimique basée sur la superposition de champs proches pour la détection de structures moleculaires Field-enhanced chemical-optical spectroscopy platform for molecular sensingFrei bewegliche Elektronen in Metallen werden unter Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung (wie z.B. Licht) zu kollektiven Oszillationen angeregt und es entstehen sogenannte Plasmonen. Dadurch entstehen hohe Felder im Nahbereich der Oberfläche, welche es ermöglichen, Licht gezielt zu leiten und in sehr hohen Felddichten in kleinsten Volumina zu konzentrieren. Um Resonanzbedingungen mit dem einfallenden Licht zu erzeugen, benötigt man metallische Strukturen deren Dimensionen kleiner als die Wellenlänge des einfallendes Lichts sind. Unter optimalen Bedingungen führt dies zu einer Empfindlichkeit, welche es ermöglicht, die spektralen Eigenschaften von einem einzelnen Molekül optisch zu erfassen. Geeignete chemische Andockstellen welche selektiv Stoffe auf der Metalloberfläche binden, ermöglichen es, Kleinstmengen davon spektroskopisch nachzuweisen, was idealen Sensoreigenschaften hinsichtlich Empfindlichkeit und Selektivität für Anwendungen in der Umweltüberwachung oder der chemischen Analyse nahe kommt. Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts Unser übergeordnetes Ziel ist, plasmonische Strukturen zu simulieren und herzustellen, welche höchstmögliche Feldverstärkungen erzeugen um eine grösstmögliche Empfindlichkeit für molekulare Detektion zu erreichen. Dafür ist eine nanometergenaue Herstellung von Nanostrukturen notwendig. Mit chemischen Mitteln - basierend auf thiol-gebundenen, emissions-verstärkende Rezeptoren - werden diese Strukturen im Weiteren funktionalisiert, damit die nachzuweisenden Analyte selektiv auf der Oberfläche gebunden werden. Das Rezeptor-Analyt System erzeugt eine charakteristische Lichtemission und Ramanstreuung, welche spektral mit Einzelmolekülempfindlichkeit nachweisbar ist. Durch Änderung der optischen Auswahlregeln unter hohen Feldgradienten werden zusätzlich Infrarot-Moden zur Emission angeregt, was es ermöglicht, erweiterte und unter Umständen sogar die komplete, spektroskopische Information zu erhalten. Das Projekt resultiert in der Entwicklung einer generischen Platfform für erweiterte, optische Nahfeld-Spektroskopie deren Wirkungsweise anhand der Detektion von Aminen, Hydrazinen, halogenierten Kohlenwasserstoffen, Kohlenstoffmonoxid und Ethylen exemplarisch gezeigt wird.Schweizerischer Nationalfonds | 2 Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts Unser Projekt wird grundsätzlich neue wissenschaftlich Informationen über das Verhalten von optischen Nahfeldern generieren. Die Interaktion von plasmonischen Polaritonen und Molekülschwingungen werden grundlegend und systematisch erforscht. Aufgrund der bisher unerreichten Herstellungsgenauigkeit werden neuartige Felder der Optik eröffnet, in denen neuartige physikalische Effekte vorhergesagt wurden, wie z.B. die nichtlineare Quantenoptik. Neben den wissenschaftlichen Ergebnissen werden anwendungs- und lösungsorientierte Ziele angestrebt. So entsteht eine spektroskopische Platform für ein günstiges, versorgungsunabhängiges und damit genaueres Umweltmonitoring als bisher, was Hinweise auf Umweltverschmutzung und den Schutz der Bevölkerung vor Umweltrisiken erlaubt.
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