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Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 4753 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich ist eine empfindliche und selektive Technik zur Untersuchung von Molekülen in der Gas- oder Flüssigphase. Die Untersuchung chemischer Reaktionen in biomedizinischen Anwendungen wie der Arzneimittelherstellung erfreut sich in letzter Zeit besonderes Interesse. Die Überwachung dynamischer Prozesse in Flüssigkeiten ist jedoch häufig auf sperrige Systeme beschränkt und erfordert daher zeitaufwändige Offline-Analysen. In dieser Arbeit zeigen wir einen vollständig integrierten und robusten Chip-Sensor der nächsten Generation für Online-Messungen der Moleküldynamik in einer flüssigen Lösung. Unser fingerspitzengroßes Gerät nutzt die Quantenkaskadentechnologie und kombiniert Emitter, Sensorabschnitt und Detektor auf einem einzigen Chip. Dies ermöglicht Echtzeitmessungen, bei denen nur Mikrolitermengen des Analyten in einer In-situ-Konfiguration untersucht werden. Wir demonstrieren den zeitaufgelösten Gerätebetrieb durch die Analyse temperaturinduzierter Konformationsänderungen des Modellproteins Rinderserumalbumin in schwerem Wasser. Quantitative Messungen zeigen hervorragende Leistungsmerkmale in Bezug auf Sensorlinearität, eine breite Konzentrationsabdeckung von 0,075 mg ml−1 bis 92 mg ml−1 und eine 55-mal höhere Absorption als hochmoderne sperrige und Offline-Referenzsysteme .

Sensoren sind auf unzähligen Ebenen in unser tägliches Leben eingedrungen, von der medizinischen Diagnostik1,2,3 über Umweltsensorik und Klimaforschung4,5 bis hin zur Spektralbildgebung6 und Sicherheitsanwendungen7. Sie erkennen, analysieren und reagieren auf alle möglichen relevanten Substanzen, z. B. potenziell gefährliche Chemikalien8. Während die Gasphasenspektroskopie im mittleren Infrarotbereich (mittleres IR) heutzutage gut für Sensoranwendungen auf der Grundlage der Quantenkaskadentechnologie (QC) genutzt wird9,10,11, stecken Techniken zur Flüssigkeitsdetektion noch in den Kinderschuhen12,13,14. Dazu gehört beispielsweise der Versuch, die sehr breiten Absorptionsbanden (>10–50 cm−1) im Medium von Flüssigkeiten mit viel höherer Dichte anzugehen15,16,17. Dies wird zu einer noch anspruchsvolleren Aufgabe, wenn Zielanalyten bei (i) sehr niedrigen (ppb- bis ppt-) Konzentrationen oder (ii) sich schnell ändernden Konzentrationen nachgewiesen werden, während chemische Reaktionen oder Konformationsänderungen von Molekülen untersucht werden. Zu den wünschenswerten Eigenschaften von Sensoren zur Überwachung dynamischer Prozesse in der flüssigen Phase gehören schnelle Reaktionszeiten, hohe Empfindlichkeit und Spezifität sowie die Fähigkeit, große dynamische Konzentrationsbereiche in Probengrößen im Mikroliterbereich zu analysieren.

Folglich ist es für eine hohe Sensorspezifität äußerst vorteilhaft, auf den spektralen Fingerabdruckbereich grundlegender Molekülabsorptionen im mittleren Infrarotspektralbereich (~500–1700 cm−1 18,19) und insbesondere auf den Bereich des Proteinamids abzuzielen I-Bande (~1600–1700 cm−1) im Fall der Proteinanalyse20.

Die Empfindlichkeit eines Sensors hängt von seinem Rauschverhalten und der Steigung der Kalibrierungslinie ab. Bei spektroskopischen Techniken, die auf dem Lambert-Beerschen Gesetz basieren, kann die Empfindlichkeit angepasst werden, indem die effektive Wechselwirkungslänge des Lichts innerhalb der Probe maximiert wird. Typische Absorptionslängenwerte im mittleren Infrarotbereich in wässriger Lösung liegen jedoch bei den vorhandenen Techniken im niedrigen Mikrometerbereich und erfordern oft sperrige Geräte9,14,21. Daher sind Hochleistungslichtquellen wie QC-Laser (QCLs) und Hochleistungsdetektoren wie QC-Detektoren (QCDs) günstige Werkzeuge für Verbesserungen. Sie ermöglichen die Bewältigung realer Anwendungen in der Flüssigphasenspektroskopie im mittleren Infrarotbereich und sind in der Lage, Probenfilmdicken weit über einige Mikrometer hinaus zu untersuchen, was eine vereinfachte und robustere Probenhandhabung ermöglicht8,13,22.

Im Gegensatz zur Sensorspezifität und -empfindlichkeit, die bereits in ersten Experimenten in der Literatur23 behandelt wurden, wollen wir ein Konzept demonstrieren, das erhebliche Fortschritte bei zwei zusätzlichen kritischen Merkmalen zeigt:

(i) Dynamische Prozesse, wie sie beispielsweise bei chemischen Reaktionen24 oder Konformationsänderungen, also strukturellen Veränderungen der dreidimensionalen Struktur eines Moleküls13, vorkommen, offenbaren wichtige Eigenschaften, die für ihre adäquate Untersuchung mit hoher zeitlicher Auflösung analysiert werden müssen. Ein In-situ-Sensor für markierungsfreie Echtzeitmessungen ist das ideale Werkzeug zur Überwachung dieser Analytveränderungen, wodurch zeitaufwändige Offline-Analysen vollständig vermieden werden.

(ii) Die Fähigkeit, kleinste Flüssigkeitsmengen auf dem Chip zu analysieren, ermöglicht Erkennungsschemata für reale Anwendungen durch Sensorminiaturisierung. Dazu gehören Online-Messungen von Mikroliterproben, die chemische Prozesse nur minimal beeinträchtigen.

In dieser Arbeit präsentieren wir einen vollständig monolithischen integrierten Mittel-IR-Sensor, der alle oben genannten Funktionen in einem einzigen, miniaturisierten Gerät vereint. Durch die Kombination von Laser, Wechselwirkungsbereich und Detektor auf einem Chip und die Vermeidung typischer Beugungsbeschränkungen herkömmlicher photonischer Systeme im Chipmaßstab6,25 durch die Nutzung plasmonischer Wellenleiter26,27,28 realisieren wir eine Fingerspitzengröße (<5 × 5 mm2). ) Schnellflüssigkeitssensor der nächsten Generation. Simulationsergebnisse bestätigen die Erhaltung der plasmonischen Fähigkeiten in einer flüssigen Umgebung und ermöglichen die Verwendung von spektral optimierten QCLDs, d. h. Geräten, die Photonen ähnlicher Wellenlänge emittieren und erkennen29. In unserer Studie führen wir zwei Arten von Messungen durch. Wir bestimmen die Sensorkalibrierungslinie und führen thermische Denaturierungsexperimente durch, wobei wir die damit verbundene Änderung der Proteinsekundärstruktur überwachen, sowohl von Rinderserumalbumin (BSA)12,13,30,31,32,33 in einer D2O-Matrix. Da unsere Arbeit eine Analyse der Sensorleistung mittels optischer Finite-Elemente-Simulationen (FEM) mit der kommerziellen Software COMSOL umfasst, können wir auch theoretisch die hervorragende Eignung für den In-situ-Betrieb in einer flüssigen Matrix bestätigen. Anschließend ermitteln wir experimentell wichtige analytische Gütezahlen, darunter: (1) LOD, (2) Sensorlinearität mit der Analytkonzentration, (3) den zugänglichen Konzentrationsbereich und das Probenvolumen unseres Sensors und (4) Robustheit gegenüber direkten Exposition gegenüber dem Analyten. Wir schließen unsere Studie ab, indem wir die Funktionsweise unseres QCLD-Sensors beim Eintauchen in normales Wasser (H2O) als biophysikalisch native und relevanteste Matrix demonstrieren. Als direkte Folge der vollständig absorbierten Intensität des optischen Modus im Wasser und aufgrund der großen effektiven Eindringtiefe des Sensors können wir gleichzeitig das verbleibende gemessene Detektorsignal aus diesem Experiment zur Korrektur des elektrischen Übersprechens verwenden.

Unser Ziel ist es, unseren QCLD-Sensor genau zu charakterisieren und seine relevanten Gütezahlen zu extrahieren sowie seine Fähigkeit zu demonstrieren, Veränderungen in der Sekundärstruktur von Proteinen in Echtzeit zu überwachen. Für diese Experimente verwenden wir BSA als wasserlösliches Monomerprotein (siehe Abb. 1a und Ergänzung A). BSA wird häufig in grundlegenden biophysikalischen Studien verwendet, beispielsweise bei der Untersuchung der thermischen Denaturierung30,34,35, die zu Veränderungen der Absorption im mittleren IR-Bereich in der Amid-I-Region von Proteinen führt. Untersuchungen zur thermischen Denaturierung von BSA wurden bisher regelmäßig sowohl in H2O als auch in D2O30,31,32,34,35 durchgeführt und lieferten einen reichhaltigen Datensatz, insbesondere für Experimente in schwerem Wasser.

eine Referenzmessung des thermischen Denaturierungsprozesses von BSA mit einem abgeschwächten Totalreflexions-Fourier-Transform-Infrarotspektrometer (ATR-FTIR), analysiert im Bereich der Amid-I\(^{\prime}\)-Bande zwischen 50 ∘C (blau) und 90 ∘C (rot). Der temperaturinduzierte Übergang von der α-Helix (1651 cm−1, blau) zum β-Faltblatt (1615 cm−1, rot) ist dargestellt. b On-Chip-Sensorkonzept einschließlich indiziertem plasmonischem Modus. Emitter (QCL, 10 μm breit) und Detektor (QCD, 15 μm breit) sind über einen 48 μm langen, konischen SiN-basierten plasmonischen Wellenleiter verbunden. Der gesamte Sensor wird in die Probenlösung (D2O + BSA) eingetaucht, was durch die blaue transparente Schicht auf dem Chip angezeigt wird. Die Goldschicht (plasmonischer Wellenleiter und elektrische Kontakte) ist in Goldfarbe dargestellt, die SiN-Passivierungs- und dielektrische Ladeschicht sind in Braun dargestellt und das InP-Substrat ist in Dunkelgrau dargestellt.

Für die Proteinanalyse wird häufig schweres Wasser verwendet, um eine Überlappung der HOH-Biegebande von Wasser mit der Protein-Amid-I-Region in der Spektroskopie im mittleren IR-Bereich zu vermeiden. Dadurch entsteht in diesem Bereich ein offenes Spektralfenster mit reduzierter Absorption, was größere Wechselwirkungslängen ermöglicht12,30,31,32,35,36,37,38,39,40,41,42. Im Allgemeinen kann schweres Wasser zu einigen Abweichungen von den völlig natürlichen biophysikalischen Bedingungen führen. Es wurde festgestellt, dass die Einwirkung von D2O auf Proteine die Länge und Stärke von Wasserstoffbrückenbindungen beeinflussen und zu Veränderungen in der Proteindynamik43 sowie zur Denaturierung von Proteinen44 führen kann. Aber auch bei der Analyse spezifischer biologischer Proben können solche unterschiedlichen Eigenschaften von D2O genutzt werden, z. B. um Protein-Lösungsmittel-Wechselwirkungen in lebenden Zellen für In-vitro-Experimente deutlich zu verlangsamen45.

Für das hier beschriebene Experiment zur thermischen Denaturierung von BSA wurde festgestellt, dass die Strukturübergänge von BSA in H2O und D2O ähnlich waren, mit dem einzigen Unterschied, dass die Übergangstemperatur in schwerem Wasser niedriger war32. Die Arbeit in D2O ermöglicht es uns somit, Daten mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis aufzuzeichnen und das volle Potenzial unseres Sensorkonzepts in der dynamischen Reaktionsüberwachung auszuschöpfen. Es ermöglicht auch eine viel bessere Nutzung des plasmonischen Sensorkonzepts, das die Ausbreitung optischer Moden auf Längenskalen von mehreren zehn bis Hunderten von Mikrometern ermöglicht. Unser On-Chip-Sensor verfügt über eine Probenwechselwirkungslänge von ~48 μm, was die Analyse von BSA in D2O über einen weiten Konzentrationsbereich erleichtert, der mehr als drei Größenordnungen abdeckt, von ~75 μg ml–1 bis >92 mg ml– 1. Im Gegensatz dazu begrenzt die Verwendung eines stark absorbierenden H2O-Puffers die Pfadlängen bei FTIR-basierten Experimenten mit niedriger Intensität46 typischerweise auf maximal 10 μm und bei der Durchführung von QCL-basierten Transmissionsmessungen mit hoher Intensität auf ~25 μm47, mit der Konsequenz von a deutlich reduzierte Nachweisgrenze (LOD).

Die Quantenkaskadentechnologie bietet sehr leistungsstarke und vielseitige Werkzeuge für die Gas- und Flüssigphasenspektroskopie im mittleren Infrarotbereich2,14,26,48,49,50. Die Fähigkeit, einen unvoreingenommenen QCL als Hochleistungsfotodetektor zu betreiben51,52,53, ermöglichte die Realisierung monolithischer integrierter QCL und QCD, die als QCLD-Gerät29 bezeichnet werden. Es verfügt über eine hervorragende spektrale Überlappung zwischen Laser und Detektor29. In dieser Arbeit erschließen wir das volle Potenzial des QCLD-Konzepts für optische Lab-on-Chip-Anwendungen, geeignet für die Analyse von Proteinen im Spektralbereich der Amid-I\(^{\prime}\)-Bande13,14,32 ,35.

Das in dieser Arbeit verwendete QCLD basiert auf einem an das Kontinuum gebundenen aktiven Bereich (AR)-Design, das für die gleiche Emissions- und Detektionswellenlänge optimiert ist. Um auf das Amid-I\(^{\prime}\)-Spektralband abzuzielen, das den Absorptionsbereich von BSA in D2O32,35 beherbergt, ist es für den Betrieb bei einer Wellenlänge von etwa 6,5 μm ausgelegt. Insbesondere wird der AR aus In0,53Ga0,47As/In0,52Al0,48As-Quantentöpfen/-barrieren in insgesamt 37 Kaskaden aufgebaut, die durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) gitterangepasst auf das n-InP-Substrat aufgewachsen werden eingebettet in eine Wellenleiterstruktur. Zur Auswahl einzelner spektraler Emissionsmodi, die auf schmale Wellenlängenbereiche innerhalb der breiten Absorptionsmerkmale des Analyten von ~20–40 cm−1 abzielen, ist ein verteiltes Rückkopplungsgitter (DFB)54,55,56 in die obere Ummantelung der QCL-Wellenleiterstruktur57 implementiert ,58 (Details zu AR26: und DFB-Gitter: Ergänzung B). Wie von Ristanić et al.27 gezeigt, führt dies zu Linienbreiten im ~MHz-Bereich und darunter56 und verbessert Rauschen und Emissionsschwankungen in gepulsten Lasern59,60.

Wir verwenden standardmäßige Fabry-Pérot (FP)-Stegwellenleiter für Laser (~2,5 mm lang) und Detektor (~200 μm lang), getrennt durch einen ~48 μm langen dielektrisch geladenen Oberflächenplasmon-Polariton-Wellenleiter (DLSPP) (200 nm). dicke SiN-Platte auf einer 60 nm dicken Au-Unterschicht, siehe Abb. 1b). Letzterer verjüngt sich von 10 μm Breite am QCL auf 15 μm am QCD. Aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit des Analyten können wir unseren Sensor ohne zusätzliche Schutzbeschichtungen direkt in die Flüssigkeit eintauchen. Wir haben die Empfindlichkeit des QCLD-Sensors weiter erhöht, indem wir die vorherrschenden technischen Geräterauschquellen wie Temperaturschwankungen61,62 und elektrisches Übersprechen, die für kompakte On-Chip-Geometrien bekannt sind,17,63 bekämpft haben. Ersteres wurde durch On-Chip-Temperaturmessungen und Letzteres durch elektrische Kontakte mit erhöhter Trennung und einer Post-Experiment-Übersprechkorrektur behoben. Die detaillierten spektralen Emissions- und Detektionseigenschaften des QCLD sind in der ergänzenden Abbildung 1 dargestellt.

Die spektrale Leistung eines plasmonischen Wellenleiters wird von seinen Struktur- und Materialeigenschaften (komplexer Brechungsindex n) bei der Zielwellenlänge λ einschließlich des umgebenden Wirtsmediums dominiert. Es wurde gezeigt, dass bei dünnen DLSPP-Wellenleitern ein bemerkenswerter Anteil von >96 % der Mode außerhalb des Wellenleiters geführt wird (DLSPP-Dicke ≪ Wellenlänge) und das umgebende dielektrische Medium, wie z. B. Luft, durchdringt26. Dadurch eignen sich solche Wellenleiter hervorragend für die Flüssigkeitsspektroskopie, da ihre Ausbreitungseigenschaften vom umgebenden Medium abhängig sind.

Zur Analyse unseres SiN-basierten DLSPP-Wellenleiters bei Einwirkung von D2O und BSA in D2O simulieren wir die Ausbreitung des plasmonischen Modus mit dem Eigenmodenlöser der FEM-basierten kommerziellen Software COMSOL (v.5.5). Wir konzentrieren uns auf die beiden interessierenden Wellenlängen: 6,26 μm (1597 cm–1, Konzentrationsreihe) und 6,17 μm (1620 cm–1, BSA-Denaturierungsexperiment). Abbildung 2a zeigt das Transversalmodenprofil in Luft bei 6,17 μm mit nSiN = 1,79.

a Der Modenquerschnitt des SiN auf Au-DLSPP-Wellenleiters (nSiN = 1,79, Abmessungen im Einschub: dAu: Golddicke, dSiN: SiN-Dicke und wSiN: Breite der SiN-Platte), b 2D-Draufsichtsimulation entlang des konischen 48 μm DLSPP-Wellenleiters zwischen QCL und QCD in Luft (links) und D2O (rechts) sowie Längsquerschnittsprofil entlang des 48 μm DLSPP-Wellenleiters, geleitet in: c Luft und d D2O. Die weiße Linie in a, c und d repräsentiert die plasmonische Au-Schicht.

Der Brechungsindex nSiN wird aus Ellipsometermessungen im mittleren Infrarotbereich ermittelt, die in der ergänzenden Abbildung 2 dargestellt sind, was auf ähnliche Ergebnisse wie in der Literatur hinweist64. Die erhaltenen Werte bei beiden Wellenlängen, also 1597 cm−1 und 1620 cm−1, für die Ausbreitungslänge Lp (1/e-Zerfallsstrecke in μm), den effektiven Modenindex neff und die Verluste (in dB mm−1 und dB pro). 48 μm = plasmonischer Abschnitt zwischen QCL und QCD) sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Ausbreitungslänge ist bei kürzeren Wellenlängen um 7 % geringer, eine Folge der etwas geeigneteren plasmonischen Wellenleitergeometrie für längere Wellenlängen28. Dennoch beträgt Lp ≥1,7 mm, was Verlusten unter 0,13 dB für einen 48-μm-Wellenleiterabschnitt entspricht, was die verlustarmen Eigenschaften unserer DLSPP-Wellenleiter in Luft bestätigt. Modenprofil und Neff zeigen bei den beiden Wellenlängen nur vernachlässigbare Unterschiede.

Im Folgenden vergleichen wir die 6,17 μm Longitudinalmodenprofile in Luft mit dem Fall von D2O als umgebendem Medium. Wie Abb. 2 zeigt, ist der Modus in Luft sehr gut eingeschlossen (siehe Abb. 2b, c), und wir beobachten eine ähnliche Laser-Wellenleiter-Kopplung in D2O (siehe Abb. 2d, Lit. 40). Dies ist ein bemerkenswertes Ergebnis, da der Brechungsindex von Luft (nair ≈ 1) deutlich niedriger ist als der für D2O von \({n}_{{{{{{{\rm{D}}}}}}}_ {2}{{{{{\rm{O}}}}}}}\) = 1,340. Dennoch bleibt der Modus sehr gut begrenzt und wird vom Laser zum Detektor geführt, was die hervorragende Eignung des DLSPP-Wellenleiters für die Flüssigkeitsspektroskopie zeigt. Die Zugabe von BSA zum D2O hat im Vergleich zu reinem Deuteriumoxid nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Brechungsindex (z. B. Δn ~ 10−4 für 0,25–2 % m v−140).

Schließlich untersuchten wir den Einfluss des D2O auf den plasmonischen Modus durch 2D-Draufsichtsimulationen des konischen DLSPP-Wellenleiters, die einen horizontalen Schnitt bei 60 nm über der SiN-Schicht zeigten. Wie in Abb. 2b gezeigt, gibt es beim Vergleich von Luft (links) und D2O (rechts) nur geringfügige Unterschiede und somit auch nur eine minimale Verringerung der lateralen Modenbegrenzung.

Eine gängige Methode zur Messung der Absorption von Flüssigkeiten im mittleren IR-Spektralbereich basiert auf der abgeschwächten Totalreflexionsspektroskopie (ATR)65. Bei dieser Technik wird die Probe auf der Oberfläche eines optisch dichten ATR-Elements platziert. Unter einem bestimmten Winkel auftreffendes Infrarotlicht wird an der Grenzfläche zur Probe reflektiert und durchdringt diese mit seinem evaneszenten Feld minimal.

In einer solchen Konfiguration kann die Absorption A einer Flüssigkeit mit der effektiven Schichtdicke deff mithilfe des Lambert-Beerschen Gesetzes9,66 ermittelt werden: A = deff ⋅ e ⋅ c, mit dem molaren dekadischen Absorptionskoeffizienten e und der Konzentration des Analyten C. Eine experimentelle A vs. c-Kurve zeigt daher eine lineare Abhängigkeit65,66 mit der Steigung, die durch das Produkt von deff ⋅ e gegeben ist.

Die effektive Weglänge unseres QCLD-Sensors wurde durch Vergleich seiner Absorption mit der der Referenzmessungen des Fourier-Transform-Infrarot-Interferometers (ATR-FTIR) mit abgeschwächter Einzelreflexion und Totalreflexion bestimmt. Für das ATR-Zubehör erhalten wir: deff = 0,838 μm bei 1597 cm−1, bestimmt in H2O (e = 10,9 L mol−1 cm−1)67.

Wir haben die Leistung unseres QCLD-Sensors anhand einer Konzentrationsreihe von BSA in D2O kalibriert und so seine A-gegen-c-Kurve erhalten. Wir vergleichen es mit Ergebnissen anderer moderner Messtechniken, einschließlich Zirkulardichroismus (CD) und FTIR-Spektroskopie13, sowie ATR-basierter Sensoren9, einschließlich z. B. faserbasierter ATR-FTIR-Spektroskopie12. Darüber hinaus extrahieren wir wichtige Leistungswerte des Sensors wie den LOD und die effektive Pfadlänge innerhalb des untersuchten Analyten deff. Dies steht im Gegensatz zu früheren Studien, die hauptsächlich eine qualitative Analyse durchführten34,35,40,68.

Abbildung 3 zeigt den Aufbau der Konzentrationsmessung. Es enthält eine ca. 50 ml Stammlösung von BSA in D2O mit einer festen Konzentration von 150 mg ml−1. Mit einer peristaltischen Pumpe (Ismatec Reglo ICC, 3 Kanäle, 8 Rollen) geben wir kontinuierlich 1 ml der Stammlösung in ein zweites Becherglas, das mit 30 ml reinem D2O (99,9 Atom-% D) gefüllt ist. Der QCLD-Sensor wird direkt in den D2O-Becher eingetaucht und zeigt seine Robustheit gegenüber direkter Einwirkung der proteinhaltigen Lösung. Für dieses Experiment spannen wir QCL 1 vor, das bei 1597 cm−1 emittiert, messen das Signal seines entsprechenden QCD 1 und analysieren es mit einem 350-MHz-Oszilloskop (Teledyne LeCroy HDO4034 2,5 GSPS). Parallel dazu überwachen wir die Temperatur der Flüssigkeit mit zwei zuvor charakterisierten Temperatursonden: (i) Wir spannen den benachbarten QCL 2 mit 0,5 mA vor und überwachen seine temperaturbedingte Widerstandsänderung mit einem Quellenmessgerät (Keithley 2400-Serie) als schnelles On- Chip-Temperaturfühler und (ii) wir tauchen zusätzlich einen Temperaturfühler (Pt100) in die Flüssigkeit ein.

Eine peristaltische Pumpe pumpt kontinuierlich die Stammlösung (50 ml BSA in D2O bei 150 mg ml−1) zum Messbecher, der zunächst mit reinem D2O gefüllt ist. Der QCLD-Sensor wird direkt in dieses zweite Becherglas eingetaucht, um die Konzentrationsänderungen zu überwachen.

Abbildung 4 zeigt die resultierenden A-gegen-c-Kurven bei 1597 cm−1 und Raumtemperatur, gemessen in Absorptionseinheiten (AU), mit unserem QCLD-Sensor (blaue Quadrate) und dem ATR-FTIR-Referenzsensor (violette Kreise). Die Extinktion wird ermittelt, indem das BSA-Signal auf seine zuvor gemessene reine D2O-Basislinie normiert und der dekadische Logarithmus dieses Werts gebildet wird. Wie für einen Sensor nach dem Lambert-Beerschen Gesetz zu erwarten, erhalten wir eine lineare Kalibrierungslinie66. Wir möchten unsere Fähigkeit hervorheben, 48 μm Lösung für einen breiten Bereich von BSA-Konzentrationen von <100 μg ml–1 bis >92 mg ml–1 zu untersuchen. Im Gegensatz dazu wurden solche Experimente bisher typischerweise mit großen und sperrigen ATR-FTIR-basierten Systemen durchgeführt31,34.

Ergebnisse in Absorptionseinheiten (AU) des QCLD-Sensors für BSA in D2O mit (rote Sterne) und ohne (blaue Quadrate) 18-mV-Crosstalk-Korrektur (linke Skala) und im Vergleich zum Einzelreflexions-ATR-FTIR-System (violette Kreise). , rechte Skala). Zur besseren Sichtbarkeit des ATR-FTIR-Signals ist die rechte Skala im Vergleich zur linken um den Faktor 10 geteilt.

Die ATR-Spektren aus Abb. 1a zeigen, dass die Absorption A = 0,00118 AU (Absorptionseinheiten) von BSA mit 1597 cm−1 in einer 20 mg ml−1 BSA-Lösung ziemlich niedrig ist, was die Untersuchung höherer Konzentrationen ermöglicht. Im Gegensatz dazu ist es für die Analyse des niedrigen Konzentrationsbereichs vorzuziehen, bei hoher Extinktion zu messen. Wie in Abb. 4 dargestellt, können wir ab 85 mg ml−1 Abweichungen von der linearen Kurve beobachten. Sie resultieren aus einem niedrigen QCD-Signal bei steigenden BSA-Konzentrationen. Wir können daraus schließen, dass die maximale Konzentration, die wir mit dem Sensor messen können, voraussichtlich im Bereich von 92 mg ml−1 bei 1597 cm−1 liegt.

Ein direkter Vergleich mit der ATR-Messung zeigt, dass unser On-Chip-Sensor eine 39-mal höhere Absorption liefert und damit die Leistung des modernen ATR-FTIR-Systems deutlich übertrifft. Darüber hinaus ist die Möglichkeit, unseren Sensor ohne zusätzliche Schutzmaßnahmen direkt in die Flüssigkeit einzutauchen, ein klarer Vorteil unseres In-situ-Ansatzes und ermöglicht die Inline-Überwachung chemischer Reaktionen in fortschrittlichen chemischen Systemen in Echtzeit. Dies steht in starkem Gegensatz zu typischen hochmodernen Analysetechniken, einschließlich der ATR-FTIR-Spektroskopie, die entweder auf Offline-Messungen oder auf Online-Messungen beschränkt sind, wenn z. B. eine Fluidzelle mit dem ATR-Kristall69 zu noch komplexeren Messungen zusammengeführt wird und sperrige Systeme.

Während die Kompaktheit des QCLD-basierten Ansatzes zu den zuvor diskutierten klaren Vorteilen des Sensors führt, beobachten wir elektrisches Übersprechen als Nachteil der Integration mit geringem Platzbedarf (typischerweise: <25 mm2). Dieser parasitäre Effekt kann quantifiziert werden, indem Messungen in vollständig absorbierendem entionisiertem (DI) H2O durchgeführt und die BSA-Messungen um das erhaltene elektrische Übersprechen korrigiert werden. Das Ergebnis ist in Abb. 4 als rote Sterne dargestellt und liefert sogar 55-mal größere Absorptionswerte als der ATR-FTIR-Aufbau. Dies kann verwendet werden, um die effektive Eindringtiefe deff,QCLD abzuschätzen durch: 55 × deff,ATR = 46,09 μm = deff,QCLD (mit deff,ATR = 0,838 μm) und stimmt unter Berücksichtigung dieser Tatsache sehr gut mit der tatsächlichen Länge von 48 μm überein 96 % der Mode werden außerhalb des Hohlleiters geführt.

Zur weiteren quantitativen Analyse können wir diesen Wert auch berechnen, indem wir die experimentellen A-vs-c-Daten aus Abb. 4 in Kombination mit der bereits eingeführten Formel für das Beer-Lambert-Gesetz und dem zuvor erhaltenen deff,ATR = 0,838 μm verwenden. Das Ergebnis ist in Tabelle 2 aufgeführt. Der erhaltene Wert von deff,QCLD = 43,1 μm stimmt wiederum gut mit der tatsächlichen Länge des plasmonischen Wellenleiters von 48 μm überein.

Als weiteren wichtigen Gütefaktor in der chemischen Sensorik haben wir den LOD unseres QCLD-Sensors im Vergleich zum ATR-FTIR-Aufbau ermittelt, wie in Ergänzung E angegeben. Um den LOD des On-Chip-Sensors für kurze Zeit zu bewerten Im Maßstab haben wir die Standardabweichung std(t) für mehrere ~11 s lange Zeitintervalle berechnet, gemessen für eine 20 mg ml−1 BSA in D2O-Lösung, und den entsprechenden LOD = 0,092 mV bestimmt (siehe Tabelle 3, Steigung aus ergänzender Abbildung). 3): Dies entspricht der minimal nachweisbaren Konzentrationsänderung von BSA in mg ml−1 unter Verwendung der gemessenen Kalibrierungslinie im niedrigen Konzentrationsbereich 0–25 mg ml−1. Daraus ergibt sich eine minimal gewinnbare BSA-Konzentration von: LOD (mg ml−1) = 75 μg ml−1 ⇒ LOD(ppm) = 75 ppm nach Gewicht und eine Abdeckung von mehr als drei Größenordnungen von (BSA-)Konzentrationen dazwischen 75 μg ml−1 und 92 mg ml−1. Es ist erwähnenswert, dass unser Tauchsensor nur durch die Temperaturstabilität der Flüssigkeit temperaturstabilisiert wird, während die On-Chip-Temperaturmessung nur zu Überwachungszwecken verwendet wurde, ohne sie für Stabilisierungsmaßnahmen zu nutzen. Zum Vergleich zeigt Tabelle 3 den LOD des ATR-Setups. Während der klare Vorteil der FTIR-basierten ATR-Technik in der Aufnahme eines vollständigen IR-Spektrums (400–4000 cm−1) innerhalb der Messzeit von 11 s liegt, ist es ein bemerkenswertes Ergebnis, dass unser On-Chip-Sensor über einen verfügt 120-mal niedrigere LOD. Der Nachteil der Adressierung einer einzigen Wellenlänge mit unserem QCLD-basierten Sensor kann durch die einfache Implementierung von QC-basierten Array-Konzepten erheblich gemildert werden17,70.

Andere in der Literatur beschriebene Ansätze zur Proteinerkennung, insbesondere solche, die auf SEIRAS (Surface Enhanced IR Absorption Spectroscopy) in Kombination mit herkömmlichen ATR-Techniken basieren, führen zu noch besseren LODs als unser QCLD (Faktor von ~2,1 bis ~18,1). Sie basieren jedoch auf komplexeren Schemata, indem sie beispielsweise verschiedene Arten von Au-Nanopartikeln hinzufügen71,72. Dies steht im Gegensatz zur noch nicht funktionalisierten Oberfläche unseres QCLD-Sensors, die Teil zukünftiger Arbeiten ist73,74.

In Abb. 5 präsentieren wir den Aufbau für das thermische Denaturierungsexperiment von BSA. In diesem Experiment verwenden wir eine speziell angefertigte 60-μl-Durchflusszelle im Mikrolitermaßstab. Die Schritt-für-Schritt-Messroutine wird im Abschnitt „Methoden“ beschrieben.

Für dieses Experiment verwenden wir eine speziell angefertigte 60-μl-Zelle. Die Stammlösung (35 ml BSA in D2O bei 20, 40 und 60 mg ml−1) wird ständig von Raumtemperatur auf 90 °C erhitzt und dabei kontinuierlich durch ein Becherglas mit Kühlflüssigkeit bei 20 °C in die Zelle gepumpt enthält den QCLD-Sensor. Nach (kontinuierlicher) Messung wird es abgepumpt und entsorgt.

Zur Überwachung des thermischen Denaturierungsprozesses31 verwendeten wir einen QCLD-Sensor mit einer Wellenlänge von 1620 cm−1. Abbildung 6 zeigt die erzielten Ergebnisse. Die absoluten Werte in Absorptionseinheiten (AU) in Abb. 6a beinhalten die Crosstalk-Korrektur, wie bereits für die Konzentrationsreihe diskutiert. Um den Crosstalk-Korrekturwert zu erhalten, verwenden wir das erwartete Absorptionsverhältnis bei den beiden Wellenlängen: A(1620 cm−1) pro A(1597 cm−1). Wir extrahieren einen Crosstalk von 6 mV, der sehr gut mit unserer Sensoranalyse bei 1620 cm−1 übereinstimmt und zeigt, dass wir vernünftige Denaturierungskurven bis zu Signalpegeln von etwa 10 mV messen können.

Untersuchung von drei verschiedenen Konzentrationen von BSA: 20 (rot), 40 (blau) und 60 mg ml−1 (violett) und Extraktion der Übergangstemperatur x0. a Absolute Messwerte (Kreise) und sigmoidale Boltzmann-Fit-Kurven (durchgezogene Linien) in Absorptionseinheiten (AU). b Vergleich der (individuell normalisierten) Boltzmann-Fit-Kurven, der die Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit der sigmoidalen Absorptionskurven zeigt.

Abbildung 6a zeigt das Absorptionssignal für verschiedene Temperaturen zwischen 45 ∘C und ~90 ∘C für die drei Konzentrationen 20 mg ml−1 (rot), 40 mg ml−1 (blau) und 60 mg ml−1 (violett). 1620 cm−1. Wir können die erwartete sigmoidale Form aus dem Proteinentfaltungsprozess13 für alle drei untersuchten Konzentrationen beobachten, was frühere Ergebnisse aus der Literatur bestätigt34. Ein zusätzlicher Vorteil unseres Online-Experiments liegt im sehr geringen Flüssigkeitsverbrauch (Pumprate: ~17 μl s−1, mikrofluidisches Zellvolumen: ~60 μl).

Zur quantitativen Auswertung der Messungen und zum Vergleich mit der Literatur zeigt Abb. 6b den Verlauf der normalisierten Extinktionskurven für alle drei BSA-Konzentrationen. Die durchgezogenen Linien zeigen die entsprechenden sigmoidalen Boltzmann-Gleichungskurven aus der Anpassung an die Daten in Abb. 6a, definiert als: y = A2 + (A1−A2) ⋅ (1 + \({e}^{{(x-x0)dx} ^{-1}}\))−1 mit dem anfänglichen und endgültigen Absorptionswert A1 bzw. A2, der Übergangstemperatur x0, wie durch den x0-Wert definiert, der y0 = (A1 + A2) ⋅ 2−1 entspricht, und die Steigung dx. Sie folgen der gleichen S-Form wie aus anderen Experimenten in der Literatur mit BSA31 sowie anderen Proteinen13, einschließlich abnehmender Übergangstemperaturen x0 mit zunehmender BSA-Konzentration (siehe auch Schwaighofer et al. für z. B. das Protein Poly-L-Lysin13). .

Es wurde gezeigt, dass ein solches Verhalten eine Funktion der Erhitzungsrate während des Denaturierungsprozesses ist. Wir haben daher die entsprechende Erwärmung für alle drei Konzentrationen analysiert und nahezu identische Erwärmungsraten bestätigt, wie in der ergänzenden Abbildung 4 dargestellt.

Die D2O-Matrix bietet im Vergleich zu vollständig nativen biophysikalischen Bedingungen in H2O sehr ähnliche Bedingungen für die Beobachtung des temperaturinduzierten BSA-Denaturierungsprozesses. Wir haben dieses Experiment daher sorgfältig ausgewählt, da die Unterschiede zu H2O nur in einem geringfügigen Anstieg der Übergangstemperatur für die BSA-Denaturierung bestehen32. Dennoch wollen wir die volle Leistungsfähigkeit unseres monolithischen Geräts für den Betrieb in einer realen Proteinmatrix demonstrieren und haben daher ein zusätzliches Tauchexperiment in reinem H2O durchgeführt. Wie in Abb. 7 gezeigt, haben wir den gesamten Sensor unter Betriebsvorspannung und ähnlichen Fahrbedingungen wie in D2O etwa eine Minute lang in Wasser getaucht und das Detektorsignal überwacht. Da H2O die gesamte Intensität des optischen Modus absorbiert, resultiert das verbleibende Detektorsignal aufgrund der kompakten Bauweise des Geräts aus On-Chip-Crosstalk und könnte zur Crosstalk-Korrektur verwendet werden. Ein Hinweis auf den ordnungsgemäßen Betrieb des Sensors in wässriger Lösung kann aus der leichten Temperaturänderung von ~0,09 ∘C im Verlauf des 1-minütigen Eintauchens und dem gleichzeitigen kleinen Anstieg des Detektorsignals (~0,2 mV) im Anschluss daran gesehen werden Verhalten wie in deuterierter Lösung. Wir möchten betonen, dass dieses Experiment zwischen zwei Denaturierungsmessungen durchgeführt wurde und wir beim Vergleich der Leistung vor und nach dem Eintauchen in Wasser keine Auswirkungen oder negativen Auswirkungen auf den Sensorbetrieb festgestellt haben.

Detektorsignal, wenn der QCLD-Sensor etwa 1 Minute lang in DI-H2O betrieben wird und die Temperatur um etwa 0,1 ∘C steigt.

Im nächsten Schritt erfordert die Realisierung eines On-Chip-QCLD-Sensors für ähnliche Reaktionsüberwachungsexperimente, wie sie zuvor in D2O durchgeführt wurden, jedoch in einer stark absorbierenden Matrix wie Wasser arbeiten, eine neu gestaltete Gerätegeometrie. In einem solchen Fall sind viel kürzere plasmonische Wechselwirkungslängen erforderlich, typischerweise in der Größenordnung von 10–15 μm, und sind Teil unserer zukünftigen Arbeit. Die vorgestellte grundlegende Demonstration des Betriebs monolithischer Geräte in Wasser öffnet die Tür für die Verwendung ähnlicher QCLD-Sensoren und erschließt das gesamte Feld der On-Chip-Reaktionsüberwachung biochemischer und pharmazeutischer Proben im mittleren IR-Bereich.

Zusammenfassend stellen wir ein optisches, fingerspitzengroßes Labor-auf-einem-Chip im mittleren IR-Bereich vor, das für die empfindliche und selektive In-situ-Echtzeitanalyse chemischer Reaktionen in Flüssigkeiten geeignet ist.

Mit unserem Sensor, der bei den Wellenlängen 1597 cm−1 und 1620 cm−1 arbeitet, haben wir den Denaturierungsprozess des Proteins BSA in einer D2O-Matrix analysiert. Der QCLD basiert auf der monolithischen Integration eines QCL, eines DLSPP-Wellenleiters und eines QCD auf einem einzigen miniaturisierten Chip. Es ermöglicht In-situ- und Online-Messungen in Echtzeit, wobei im letzteren Fall nur Flüssigkeitsmengen im Mikroliterbereich erfasst werden. Seine hohe Leistung zeigt sich in einem sehr niedrigen LOD von 75 Gew.-ppm (=0,0075 % m v−1) und es folgt dem Beer-Lambert-Gesetz bis zu einer BSA-Konzentration von 9,23 % m v−1. Dies wird durch eine Kalibrierungslinienmessung über den gesamten Konzentrationsbereich bestätigt, der mehr als drei Größenordnungen umfasst. Bei einer Proteindenaturierungsmessung zeigen wir den typischen sigmoidalen S-förmigen Anstieg der Absorption mit steigender BSA-Behandlungstemperatur zusammen mit einer konzentrationsabhängigen Übergangstemperatur. Letzteres konnte durch dynamische Denaturierungsmessungen bei Konzentrationen von 20, 40 und 60 mg ml−1 gezeigt werden.

Darüber hinaus wurde das Verhalten des QCLD-Sensors beim Eintauchen in eine Flüssigkeit wie BSA in D2O durch FEM-basierte Simulationen (COMSOL) des plasmonischen Interaktionsabschnitts einschließlich des Analyten modelliert. Sie zeigen die hervorragende Eignung dieser Art von monolithischen Sensoren und Materialien zur Erfassung in einer D2O-Matrix und zur Beobachtung thermischer Denaturierungsprozesse in einem weiten Bereich von BSA-Konzentrationen. Dies stellt eine geeignete Demonstration einer dynamischen Reaktionsüberwachung auf dem Chip in Echtzeit dar.

Nach der detaillierten Analyse unseres Sensors in dieser Arbeit mithilfe einer D2O-Matrix, einschließlich einer ersten Demonstration des Gerätebetriebs unter realen Proteinbedingungen mithilfe einer Wassermatrix, wird der nächste Schritt eine vollständige Untersuchung dynamischer Prozesse unter biophysikalischen Bedingungen in H2O sein. Dies erfordert die besprochene neu gestaltete und optimierte plasmonische Wellenleitergeometrie sowie eine sorgfältige Auswahl der Messwellenlänge(n), um die höchsten Absorptionspeaks in Wasser zu vermeiden. Mit den Ergebnissen der aktuellen Arbeit, einschließlich der Ergebnisse der durchgeführten Simulationen, kann ein solch optimierter Entwurf nun problemlos umgesetzt werden.

FTIR-Absorptionsmessungen von BSA wurden mit einem Bruker Tensor 37 FTIR-Spektrometer (Ettlingen, Deutschland) durchgeführt, das mit einem Bruker Optics Platinum ATR-Modul (Diamantkristall, 1 mm2 mit Einzelreflexion) und einem DLaTGS (deuteriertes Lanthan-a-Alanin-dotiertes Triglycinsulfat) ausgestattet war. Detektor (D* = 6 × 108 cm \(\sqrt{{{{{{{\rm{Hz}}}}}}}}}\) W−1 bei 9,2 μm). Während der Messungen wurde das Spektrometer vor der Datenerfassung mindestens 10 Minuten lang ständig mit trockener Luft gespült, bis die Wasserdampfabsorption ausreichend konstant war. Spektren wurden mit einer Auflösung von 4 cm−1 im doppelseitigen Aufnahmemodus aufgenommen; die Spiegelgeschwindigkeit wurde auf 20 kHz eingestellt. Insgesamt wurden 26 Scans (Messzeit: 60 s) pro Spektrum gemittelt, was unter Verwendung einer Blackman-Harris-3-Term-Apodisierungsfunktion und einem Nullfüllfaktor von 2 berechnet wurde. Alle Spektren wurden bei 25 °C aufgenommen. Die aufgezeichneten ATR-FTIR-Spektren wurden mit einer erweiterten ATR-Korrektur behandelt und mit dem Softwarepaket OPUS 8.1 (Bruker, Ettlingen, Deutschland) analysiert. Für quantitative Messungen wurden 30 μl BSA-Lösung in D2O in Konzentrationen zwischen 1 und 50 mg ml−1 auf den ATR-Kristall gegeben und FTIR-Spektren aufgezeichnet. Die Empfindlichkeit oder Steigung m der linearen Regression wurde für die Berechnung der Nachweisgrenze (LOD) wie folgt verwendet: LOD = 3 ⋅ RMS-Rauschen ⋅ m−1. Das quadratische mittlere Rauschen (RMS) des Instruments wurde im Spektralbereich zwischen 1550 und 1650 cm−1 (mit der entsprechenden Anzahl von Scans) gemessen und die Steigung der Kalibrierungslinie wurde bei 1597 cm−1 bestimmt.

Alle Messungen (Konzentrations- und Denaturierungsreihen) mit dem monolithischen QCLD-Sensor folgen der gleichen Routine: Zunächst wird eine Referenzmessung in reinem D2O durchgeführt (Mittelungszeit pro Datenpunkt: 2 s, typische Datenerfassungszeit: 30–60 s). eine Basislinie, direkt gefolgt von der BSA-Messung. Dadurch entsteht für jede BSA-haltige Messung eine individuelle und genaue Referenzmessung. Im Falle der Denaturierungsmessung in der Mikrofluidikzelle haben wir die Zelle mindestens 60 s lang mit dem Analyten in der festgelegten Konzentration gespült. Nach jeder Messung haben wir den Sensor mehrere Minuten lang mit D2O gespült, also gereinigt, um Rückstände der vorherigen BSA-Exposition von der Chipoberfläche zu entfernen.

Es ist erwähnenswert, dass der Chip insgesamt mehr als 40 Stunden lang in flüssiger Lösung eingetaucht und betrieben wurde. Dazu gehören Kalibriermessungen und Spülungen mit reinem D2O sowie Messungen mit BSA in D2O. Die gesamte Betriebszeit in einer Flüssigkeit unterteilt sich in Zeiten mit und ohne angelegte Vorspannung.

On-Chip-Absorptionsmessungen von BSA wurden basierend auf der folgenden dreistufigen Routine durchgeführt:

(i) Erhitzen: Ein Becherglas mit 35 ml in D2O gelöstem BSA wird mit drei verschiedenen Konzentrationen hergestellt: 20, 40 und 60 mg ml−1. Der Analyt wird dann ständig von ~20 ∘C auf ~90 ∘C erhitzt (Heizrate: ~0,1 ∘C), während er kontinuierlich von einer Schlauchpumpe (Ismatec Reglo ICC, 3 Kanäle, 8 Rollen) mit einer Geschwindigkeit von 1 ml gepumpt wird min−1 zum Kühlteil des Aufbaus unter Verwendung geeigneter Mikrofluidikschläuche.

(ii) Kühlung: Zur schnellen Abkühlung des flüssigen Analyten auf die Messtemperatur von 21 ∘C wird das Mikrofluidikrohr durch ein Becherglas mit entionisiertem H2O geführt, das thermisch auf ~ 20 ∘C stabilisiert ist. Aufgrund des geringen Volumens der BSA-Lösung im Mikrofluidikrohr reichen wenige Sekunden in der Kühlflüssigkeit aus, um diese effizient abzukühlen, selbst von der maximalen Heiztemperatur von 90 ∘C. Dies wird dadurch bestätigt, dass bei keiner der angewandten Temperaturen des Heizbades ein Temperaturanstieg innerhalb der Messzelle im Mikrolitermaßstab beobachtet werden konnte.

(iii) Fahren und Messen: Schließlich wird die Flüssigkeit in die speziell angefertigte mikrofluidische Aluminiumzelle (Volumen: 60 μl) gepumpt, die oben auf dem Sensorchip montiert ist, um ihre Mikroliter-Messfähigkeiten zu demonstrieren. Während die Temperatur der gesamten Zelle auf 21 °C stabilisiert wird, erfolgt die Messung durch Vorspannen des entsprechenden QCL, der bei 1620 cm−1 arbeitet (Impulse: 100 ns, Wiederholungsrate: 5 kHz, Avtech AVL-2-B-Impulsgenerator) und Lesen des On-Chip-QCD-Signals mit einem 350-MHz-Oszilloskop (Teledyne LeCroy HDO4034 2,5 GSPS). Anschließend wird die Probe aus der Mikroliterzelle abgepumpt und entsorgt.

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Research Reporting Summary.

Die in dieser Studie generierten Daten wurden in der Zenodo-Datenbank unter dem Zugangscode https://doi.org/10.5281/zenodo.6930083 hinterlegt.

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Wir danken W. Schrenk und E. Gornik für die fruchtbaren Diskussionen. Wir danken A. Linzer und IC Doganlar für die fachkundige technische Unterstützung. BH und MD erhielten Fördermittel aus dem EU-Rahmenprogramm Horizon 2020 (Projekt cFlow, Nr. 828893). Diese Arbeit wurde vom COMET-Zentrum CHASE (Projekt-Nr. 868615) im Rahmen des Programms COMET – Kompetenzzentren für exzellente Technologien vom BMK, dem BMDW und den Bundesländern Oberösterreich und Wien gefördert. Das COMET-Programm wird von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) verwaltet. BH bedankt sich für die Finanzierung durch den Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF (M2485-N34) und AS durch (Projekt-Nr. P32644-N). PLS dankt CAPES-Brasilien für die Unterstützung (88887.477460/2020-00). Das von MEYS CR finanzierte CzechNanoLab-Projekt LM2018110 wird dankbar für die finanzielle Unterstützung der Messungen bei CEITEC Nano Research Infrastructure gewürdigt. AMA erkennt die Finanzierung durch EOARD/AFOSR (FA8655-22-1-7170) und durch die FFG unter der Fördervereinbarungsnummer (883941, „Green Sensing MIR“) an.

Institut für Festkörperelektronik & Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen, TU Wien, 1040, Wien, Österreich

Borislav Hinkov, Florian Pilat, Patricia L. Souza, Mauro David, Daniela Ristanić, Benedikt Schwarz, Hermann Detz, Aaron M. Andrews & Gottfried Strasser

Institut für Chemische Technologien und Analytik, TU Wien, 1060, Wien, Österreich

Laurin Lux, Andreas Schwaighofer & Bernhard Lendl

LabSem-CETUC, Päpstliche Katholische Universität Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, Brasilien

Patricia L. Souza

CEITEC, Technische Universität Brünn, Brünn, Tschechische Republik

Hermann Detz

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BH, FP, LL, PLS und AS entwarfen die Experimente und führten die Flüssigkeitsmessungen durch; PLS charakterisierte die Quantenkaskadengeräte; HD und AMA haben die Quantenkaskadenstrukturen weiterentwickelt; DR und BS stellten die Geräte her; MD führte numerische Simulationen durch; BH und AS analysierten die Ergebnisse; BH verfasste das Manuskript mit redaktionellem Input von FP, AS, AMA, BL und GS; Alle Autoren haben das Manuskript gelesen und die Arbeit kommentiert.

Korrespondenz mit Borislav Hinkov.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt Chris Phillips und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hinkov, B., Pilat, F., Lux, L. et al. Ein Labor auf einem Chip im mittleren Infrarotbereich zur dynamischen Reaktionsüberwachung. Nat Commun 13, 4753 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32417-7

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Eingegangen: 14. Februar 2022

Angenommen: 29. Juli 2022

Veröffentlicht: 13. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32417-7

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