Der DNS-Scanner des Forscherteams um Haring Bolívar setzt sich aus drei Bauteilen zusammen. Erstens aus der THz-Strahlenquelle, zweitens aus einem DNS-Chip, der mit zahlreichen unterschiedlichen DNS-Sequenzen bestückt werden kann – je nach Analyseinteresse (Nachweis von Tumorzellen, Viren oder Bakterien) mit jeweils anderen Einzelsträngen – und drittens aus einem Detektor, der die Strahlungsresonanz misst. Besonders forschungsintensiv ist derzeit die Arbeit an der Strahlungsquelle und an Substraten, welche die Wechselwirkung von DNS und THz-Strahlung verstärken; dahinter steht sowohl das Ziel sensitivere Analysen zu ermöglichen, als auch die dazu benötigte Menge an DNS weiter reduzieren zu können.

Ein Laser dient als Strahlenquelle © Universität Siegen / Markus Döring

Bei der Konstruktion der Strahlungsquelle nutzen die Wissenschaftler bestehende optische oder elektronische Verfahren zur THz Strahlungserzeugung, die sie verfeinern und für die Analysen einsatzfähig machen. Am Institut für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik experimentieren die Mitarbeiter von Haring Bolívar beispielsweise mit einem Quanten-Kaskaden-Laser. Dieser muss derzeitig zwar noch aufwendig gekühlt werden, kann dafür aber die benötigten hohen THz Strahlungsintensitäten zur Verfügung stellen.

Auf der Sensorseite entwickelt das Team Substrate, so genannte „frequenzselektive Oberflächen“, auf denen die DNS Abfragemoleküle fixiert werden können. Mit Hilfe der Substrate werden die THz-Felder genau auf den Punkt konzentriert, an dem die Interaktion von THz-Strahlung und DNS-Molekülen zu einer starken Veränderung der THz-Signale führt.

Solche Sensoransätze haben mittlerweile die Empfindlichkeit für die DNS-Analysen im Vergleich zu den ersten Untersuchungsmethoden um mehr als sechs Größenordnungen, d.h. um mehr als eine Million Mal, erhöht. Damit hat die THz-DNS-Abfragetechnologie, der Verfahrens-Prototyp des zukünftigen „DNS-Scanners“, erstmalig die Empfindlichkeit erreicht, die von den Anwendern gewünscht wird.