Projekt 2 – Festkörpernanoporen-Analysator
Dieses Teilprojekt verbindet die unterschiedlichsten Fachgebiete, darunter Materialwissenschaft, MEMS (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme), CMOS-Technologie, Nanostrukturierungsverfahren, Funktionalisierung technischer Oberflächen, Modellierung und Simulation, Methoden des maschinellen Lernens („KI“) mit innovativer Mikroelektronik und Mikrofluidik.
Das übergeordnete Ziel ist die Etablierung von Festkörper-Nanoporen. Voraussetzung ist die industrielle Herstellbarkeit, um robuste und flexible Einzelmolekülsensoren in großer Zahl produzieren zu können. Damit wird erstmals die technologische Grundlage für praktische Diagnoseanwendungen unter Verwendung dieser Nanoporen der nächsten Generation geschaffen.
Diese neue Technologie basiert auf der Messung winziger Ionenströme (~10 nA) durch einzelne, technisch hergestellte Nanoporen in Festkörpermembranen. Beim Eintritt in die Pore blockieren Biomoleküle, z. B. DNA oder Peptide, diesen Strom teilweise. Die Mikroelektronik ermöglicht die Messung der resultierenden Strommodulation und liefert Informationen über Art, Sequenz oder Modifikation dieser Biomoleküle.
Bislang wurden keine Anwendungen von Festkörper-Nanoporen für den Nachweis und die Sequenzierung von DNA und RNA oder für die Charakterisierung von Proteinen kommerziell realisiert. Die Vorteile von Festkörper-Nanoporen sind Robustheit, Flexibilität, Skalierbarkeit und Integration. Allerdings gilt es noch, große Herausforderungen bei Konzept, Design, Herstellung und Funktionalisierung zu bewältigen. Dieses Projekt zielt darauf ab, die entsprechenden Probleme zu lösen.
Das Projekt verfolgt insbesondere zwei mögliche Ansätze:
Biomimetische Festkörper-Nanoporen werden analog zu biologischen Nanoporen als Löcher in einer isolierenden Schicht konstruiert.
Ein alternativer Ansatz sieht die Realisierung lateraler Nanokanäle vor. Die laterale Lösung entkoppelt die elektrostatische Anziehungskraft von DNA und RNA durch leitende Nanokanäle von der Detektion basenspezifischer Ströme zwischen Nanogap-Elektroden. Sowohl laterale Nanokanäle als auch integrierte Nanogap-Elektroden sind die technologischen Herausforderungen hinter diesen neuartigen Geräten.
