Nanoelectromechanical photothermal microscopy and spectroscopy for single-molecule detection and imaging at room temperature

In den letzten Jahrzehnten hat sich die markierungsfreie Einzelmolekülmikroskopie zu einem Eckpfeiler der Grundlagenforschung entwickelt [1]. Markierungsfreie Bildgebungsverfahren ermöglichen den Nachweis der authentischen Systemdynamik, wobei das Problem des Photobleaching der Marker umgangen wird. Die Empfindlichkeit der Einzelmoleküle ermöglicht außerdem die Charakterisierung einzelner Moleküle ohne statistische Mittelwertbildung.Inspiriert durch die hohe thermische Empfindlichkeit der nanomechanischen Siliziumnitrid-Resonatoren [2] wird in dieser Arbeit eine Plattform für markierungsfreie photothermische Detektion und Bildgebung auf der Grundlage nanomechanischer Siliziumnitrid-Resonatoren vorgestellt. Durch die Verfolgung der Frequenzverschiebung des nanomechanischen Resonators, die durch die photothermische Erwärmung der Zielmoleküle oder Nanopartikel verursacht wird, kann der Absorptionsquerschnitt genau quantifiziert werden. Der ermittelte Absorptionsquerschnitt von Goldnanopartikeln stimmt weitgehend mit dem Modell der Mie-Theorie überein. Die Fähigkeit zur Single-molecule-detektion wurde nach einer Reihe von Optimierungen mit einer maximal möglichen Empfindlichkeit von 16 fW/√Hz nachgewiesen. Dies ist um drei Größenordnungen besser als der Stand der Technik bei der photothermischen Mikroskopie mit einer Empfindlichkeit im Bereich von einigen zehn pW/√Hz [3]. Um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen, wurden mehrere Optimierungen vorgenommen, unter anderem1. Das Stress-Engineering der nanomechanischen Resonatoren mit Sauerstoffplasma-Nachbehandlung und photothermischer Erwärmung der Resonatoren. Es wird eine niedrige Zugspannung von ≈ 0.8 MPa erreicht.2. Die Geometrie-Engineering der nanomechanischen Resonatoren für eine bessere thermische Isolierung. Es werden Trampolinresonatoren mit optimiertem geometrischem Design entwickelt.3. Es werden verschiedene Transduktionsverfahren erforscht, darunter die vibrometrische Auslesung und die induktive Transduktion. Das Ansprechverhalten, das Rauschen und die Empfindlichkeit der beiden Erkennungssysteme werden theoretisch und experimentell diskutiert. Die Optimierungen des Signal-Rausch-Verhältnisses werden umgesetzt. Mit den optimierten nanomechanischen Resonatoren wird ein optischer Aufbau mit Multi-Wellenlängen-Lasern und Nanopositionierungsstufe realisiert. Die spektroskopische Analyse der Moleküle wird demonstriert. Mit dieser Technik können sowohl quantitative als auch qualitative Eigenschaften der Zielmoleküle ermittelt werden. Durch den hohen Kontrast der Bildgebung wird eine Lokalisierungsgenauigkeit von 3 Å erreicht. Dies bietet eine gute Grundlage für die Lokalisationsmikroskopie.Als umfassende Anwendung der nanomechanischen Plattform wird die Fähigkeit demonstriert, den Kohlenstoffgehalt einer Nanostruktur mit begrenztem Wechselwirkungsvolumen zu bestimmen, was für einige herkömmliche Techniken wie die Energie Dispersive Spektroskopie (EDX) eine Herausforderung darstellt. Durch Quantifizierung des optischen Absorptionsquerschnitts der Nanostrukturen kann die Kohlenstoffkonzentration bestimmt werden.Inspiriert durch die positionsabhängige Absorption der Nanopartikel wurde ein positionsempfindlicher Detektor entwickelt, der auf geringfügigen Änderungen unseres bestehenden Systems basiert. Es wurde eine Displacement-Empfindlichkeit von 4 pm/√Hzerreicht, die um eine bis drei Größenordnungen besser ist als die des kommerziellen segmentierten positionsempfindlichen Detektors auf Halbleiterbasis. Auch eine gute Langzeitstabilität wurde nachgewiesen. Dies kann hoffentlich eine neue Alternative für die Positionsverfolgung in der Ebene mit hoher Präzision darstellen.Diese Arbeit demonstriert mehrere Anwendungen der nanomechanischen photothermischen Sensorik, mit außerordentlicher Empfindlichkeit in mehreren wichtigen Bereichen.Die theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Transduktions- und Reaktionsfähigkeitstechnik bilden hoffentlich eine solide Grundlage für die künftige Entwicklung weiterführender Technologien.