DE102020210533A1

DE102020210533A1 - Metasurface-Array

Info

Publication number: DE102020210533A1
Application number: DE102020210533.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Netz; Maira Indrikova; Jochen Feichtinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-08-19
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2022-02-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Metasurface-Array zur Analyse von Biomolekülen, aufweisend Mikrostrukturen (6) auf einer Metaoberfläche (O), gekennzeichnet durch eine Beschichtung (7), die verschiedene Binder umfasst, die in unterschiedlichen Bereichen auf der Metaoberfläche (O) angeordnet ist, wobei die verschiedenen Binder in den unterschiedlichen Bereichen eingerichtet sind, jeweils andere Biomolekül-Proteine an der Metaoberfläche (O) festzuhalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metasurface-Array zur Analyse von Biomolekülen, das eine Beschichtung aufweist, die verschiedene Binder umfasst.
Stand der Technik
Im wissenschaftlichen Artikel „A. Tittl, A. Leitis et al., Science 360, 1105-1109 (2018), DOI: 10.1126/science.aas9768“ wird ein Metasurface-Array beschrieben. Metasurface-Arrays weisen Metaoberflächen auf, bei denen Strukturen auf einer Oberfläche eines Substrats bereitgestellt werden, die kleiner als die eingestrahlten Wellenlängen sind und deren Abmessungen typischerweise im Bereich einiger Mikrometer liegen. Die Strukturen brechen die Symmetrie und dienen als Resonatoren für elektromagnetische Wellen. Die Geometrie der Strukturen kann über einen Formfaktor definiert werden. Bei solchen Strukturgrößen dominieren Effekte der nichtlinearen Optik. Aufgrund des so verursachten Nahfeld-Effekts führt eine Änderung der Struktur-Geometrie, gekennzeichnet durch den Formfaktor, zu einer Änderung der ResonanzFrequenz für die Strukturen. Es sind mehrere Quadranten solcher Strukturen vorgesehen, innerhalb derer die Strukturen den gleichen Formfaktor aufweisen und zwischen denen sich die Formfaktoren unterscheiden. Die Strukturen sind beispielsweise aus Silizium und erzeugen Resonanzen im Infrarot-Bereich, insbesondere im Frequenzbereich zwischen 1300 cm^-1 (~39 THz) und 1800cm^-1 (~54 THz). Bei Bestrahlung mit entsprechenden elektromagnetischen Wellen reflektiert jeder Quadrant einen scharfen Reflexions-Peak bei der Frequenz, die der Resonanz der Strukturen entspricht und somit mit dem Formfaktor zusammenhängen. Schließlich wird mit einer Kamera das Metasurface-Array erfasst und das Referenz-Reflexions-Bild wird optisch aufgenommen. Damit wird die spektrale Information der elektromagnetischen Wellen in eine räumliche Information der reflektierenden Quadranten des Metasurface-Arrays umgewandelt.
Wird nun ein Molekül auf die Oberfläche das Metasurface-Array appliziert, so absorbiert es das einfallende Licht in einem charakteristischen Bereich. Dadurch werden auch die Reflexions-Peaks der entsprechenden Quadranten in ihrer Intensität kleiner. Das charakteristische Absorptionsmuster ist somit auf dem Metasurface-Array zu sehen, nämlich auf den Quadranten, die in Wechselwirkung mit dem Molekül treten. Man erhält also das Absorptionsmuster als eine Art Fingerabdruck bzw. Barcode auf dem Metasurface-Array, das als Absorptions-Bild bezeichnet wird. Schließlich wird das Absorptions-Bild durch eine Kamera optisch ausgelesen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Metasurface-Array zur Analyse von Biomolekülen vorgeschlagen. Das Metasurface-Array weist Mikrostrukturen auf, die auf einer Metaoberfläche des Metasurface-Array angeordnet sind. Ein solcher Aufbau ist aus „A. Tittl, A. Leitis et al., Science 360, 1105-1109 (2018), DOI: 10.1126/science.aas9768“ bekannt, auf den diesbezüglich verwiesen wird.
Auf die Metaoberfläche des Metasurface-Arrays wird eine Beschichtung aufgetragen, die verschiedene Binder umfasst und insbesondere aus den verschiedenen Bindern besteht. Als Binder wird hierbei ein Binder-Protein oder ein Binder-Peptid verstanden, welches durch seine dreidimensionale Struktur fähig ist, ein bestimmtes Protein oder eine Gruppe von Proteinen zu binden. Beispiele für solche Binder sind Aptamere. Die verschiedenen Binder werden spezifisch in unterschiedlichen Bereichen auf der Metaoberfläche aufgebracht, wobei innerhalb eines Bereichs jeweils die gleichen Binder angeordnet sind und sich die Binder für verschiedene Bereiche unterscheiden. Die Anordnung der Binder auf der Metaoberfläche des Metasurface-Arrays ist im Vorhinein für die Auftragung der Beschichtung festgelegt und nach dem Auftragen der Beschichtung bekannt. Die verschiedenen Binder in den unterschiedlichen Bereichen sind eingerichtet, jeweils andere Biomolekül-Proteine an der Metaoberfläche festzuhalten. Im Ergebnis werden die einzelnen Biomolekül-Proteine abhängig davon, an welches Binder sie anhaften - daher welche Binder ausgebildet sind, das jeweilige Biomolekül-Protein zu halten -, in den unterschiedlichen Bereichen festgehalten und somit räumlich voneinander getrennt.
Die Mikrostrukturen der Metaoberfläche führen bei elektromagnetischen Wellen zu einem Nahfeld-Effekt, bei dem die Strukturen als Resonatoren fungieren. Die Resonanzfrequenz lässt sich über die Struktur-Geometrie der Strukturen einstellen, die wiederum über einen Formfaktor ausgedrückt werden kann. Bei Bestrahlung der Strukturen mit entsprechenden elektromagnetischen Wellen wird bei der Frequenz, die der Resonanzfrequenz der Strukturen entspricht, ein scharfer Reflexions-Peak bzw. Transmissions-Peak erhalten.
Sind in einem Bereich auf der Metaoberfläche Biomolekül-Proteine vorhanden, die durch die Binder festgehalten werden, so absorbieren sie gemäß ihrem Absorptionsspektrum die elektromagnetische Strahlung. In jedem Bereich sind Strukturen mit einem Formfaktor vorhanden, deren Resonanzfrequenz innerhalb des Absorptionsspektrums des in diesem Bereich festgehaltenen Biomolekül-Proteins liegt. Weiter unten werden verschiedene Weisen beschrieben, wie dies erreicht werden kann. Das Vorhandensein eines bestimmten Biomolekül-Proteins in einem Bereich, das selektiv von dem Binder dort festgehalten wird, führt dann aufgrund der Absorption zu einer Abnahme des Reflexionsspektrums bzw. des Transmissionsspektrums in diesem Bereich.
Bei der Analyse kann durch Auswertung der von der Metaoberfläche transmittierten bzw. reflektierten elektromagnetischen Strahlung der einzelnen Bereiche festgestellt werden, in welchem Bereich das Reflexionsspektrum bzw. das Transmissionsspektrum verringert ist; zumindest für die Frequenzen, die den Resonanzfrequenzen der dort vorhandenen Strukturen entsprechen. Wenn in einem bestimmten Bereich das Reflexionsspektrum bzw. das Transmissionsspektrum verringert ist, ist ein Biomolekül-Protein in diesem bestimmten Bereich vorhanden. Aus der Zuordnung, welcher Binder in diesem bestimmten Bereich aufgetragen ist und welches Biomolekül-Protein dieser Binder festhalten kann, kann das vorhandene Biomolekül-Protein identifiziert werden. Schließlich kann aus der Kombination der identifizierten Biomolekül-Protein die Zusammensetzung der Probe ermittelt werden. Die Ermittlung der Biomoleküle erfolgt damit anhand Zuordnung der Bereiche, in denen eine Absorption erkannt wird, über die Anordnung der Binder in diesem Bereich zu den Biomolekül-Proteinen, die von diesen Bindern in diesem Bereich gehalten werden.
Die Mikrostrukturen können auf der Metaoberfläche typischerweise in Quadranten angeordnet sein. Strukturen innerhalb eines Quadranten weisen den gleiche Formfaktor auf, sodass, wie oben beschrieben, bei Bestrahlung ein scharfer Reflexion-Peak bzw. Transmissions-Peak für diesen Quadranten erhalten wird. Strukturen in unterschiedlichen Quadranten weisen unterschiedliche Formfaktoren auf, um mehrere Frequenzen abdecken zu können. Es ist allerdings nicht notwendig, eine räumliche Verteilung des Absorptionsspektrums mittels Strukturen mit unterschiedlichen Formfaktoren in unterschiedlichen Quadraten zu erhalten, wie es bei Metasurface-Array üblich ist.
Es kann vorgesehen sein, dass ein Bereich der Metaoberfläche mehrere unterschiedliche Strukturen - also Strukturen mit unterschiedlichen Formfaktoren - umfasst. Insbesondere kann jeder Bereich mehrere Strukturen umfassen, deren Resonanzfrequenzen den gesamten Bereich der für die Analyse eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung abdecken. Vorzugsweise werden die Strukturen korrespondierend zu den Bereichen gewählt. In jedem Bereich sind Strukturen mit einem Formfaktor angeordnet, deren Resonanzfrequenz innerhalb des Absorptionsspektrums des in diesem Bereich festgehaltenen Biomolekül-Protein liegt. Selbstverständlich sollte die Absorption des Bimolekül-Proteins bei der Resonanzfrequenz groß genug sein, um diese der Analyse auch erkennen zu können. Besonders bevorzugt werden die Strukturen mit dem Formfaktor so gewählt, dass deren Resonanzfrequenz in für das Biomolekül-Protein charakteristischen Frequenzbereich des Absorptionsspektrums liegt.
Die Bereiche mit den Bindern können in Form und Größe den Quadranten, in denen Strukturen mit gleichem Formfaktor angeordnet sind, entsprechen. Die Bereiche können aber auch unabhängig von den Quadranten der Strukturen angeordnet sein, wobei es ausreicht, wenn innerhalb eines Bereichs Strukturen mit einem Formfaktor vorhanden sind, deren Resonanzfrequenz innerhalb des Absorptionsspektrums des in diesem Bereich festgehaltenen Biomolekül-Proteins liegt.
Vorzugsweise sind die unterschiedlichen Bereiche in Form von im wesentlichen quadratischen Segmenten ausgebildet. Dadurch wird die Analyse vereinfacht, da die Quadranten mit den Mikrostrukturen typsicherweise ebenfalls als Quadrate ausgebildet sind und somit die Analyse der Metasurface-Arrays bereits auf solche quadratischen Formen ausgelegt ist. Die Größe der quadratischen Segmente kann indes unabhängig von der Größe der quadratischen Quadranten der Segmente gewählt werden. Insbesondere wird die Größe der quadratischen Segmente abhängig von der Größe des Metasurface-Arrays und der Zahl der unterschiedlichen Binder gewählt.
Vorzugsweise sind die unterschiedlichen Bereiche in Reihen und in Spalten angeordnet. Diese Anordnung lässt sich besonders einfach herstellen, da die Binder entlang der Reihe bzw. entlang der Spalte jeweils in gerade Linie aufgetragen werden können. Zudem ist durch die Anordnung in Reihen und Spalten eine geordnete Struktur vorhanden, welche die Auswertung und die Zuordnung erleichtert. So können die Binder tabellarisch den Reihen und Spalten zugeordnet werden.
Besonders bevorzugt sind die unterschiedlichen Bereiche sowohl in Form von im wesentlichen quadratischen Segmenten ausgebildet als auch in Reihen und in Spalten angeordnet. Die unterschiedlichen Bereiche sind somit in einem gleichförmigen Array angeordnet, wodurch die Aufbringung der Binder und die Analyse vereinfacht wird.
Das Metasurface-Array mit der Beschichtung ist bevorzugt als Kartusche ausgebildet. Die Kartusche kann zur Analyse in ein Lab-on-Chip eingesetzt werden. Das Lab-on-Chip weist dabei den Sensor für die Analyse auf. Nachdem die Analyse abgeschlossen ist, kann die Kartusche wieder entfernt werden und eine weitere Kartusche eingesetzt werden. Die Kartusche ist also für das Lab-on-Chip austauschbar ausgebildet. Je nach erwarteter Zusammensetzung der Probe kann eine geeignete Kartusche ausgewählt und eingesetzt werden. Hierzu wird auf das untenstehende Verfahren verwiesen.
Die Probe der zu untersuchenden Biomoleküle liegt typischerweise als wässrige Lösung vor. Vorteilhafterweise ist das Metasurface-Array bzw. die Kartusche ausgebildet, die wässrige Lösung aufzunehmen und über die Metaoberfläche zu führen, um die Biomoleküle mit der Metaoberfläche in Kontakt zu bringen. Hierfür kann insbesondere ein Zulauf in das Metasurface-Array vorgesehen sein, um die wässrige Lösung aufzunehmen. Außerdem kann ein Verteilungssystem für das Metasurface-Array vorgesehen sein, um die wässrige Lösung über die Metaoberfläche zu führen
Des Weiteren wird ein Verfahren zur Analyse von Biomolekülen vorgeschlagen, bei dem das oben beschriebene Metasurface-Array verwendet wird. Zu Beginn wird das Metasurface-Array bereitgestellt. Das Metasurface-Array weist die oben beschriebene Beschichtung mit den Bindern auf.
Dabei kann ein Metasurface-Array eine Beschichtung aufweisen mit der alle relevanten Biomolekül-Proteine untersucht werden können. Ein solches Metasurface-Array ist dann universell einsetzbar.
Vorzugsweise kann ein Satz von verschiedenen Metasurface-Arrays vorgesehen sein, die jeweils eine Beschichtung aufweisen, mit der nur ein Teil der relevanten Biomolekül-Proteine untersucht werden kann. Dadurch werden die Metasurface-Arrays kompakter und einfacher in der Herstellung. In diesem Zusammenhang erfolgt bei der Bereitstellung des Metasurface-Arrays eine Auswahl des für die zu untersuchenden Biomoleküle passenden Metasurface-Arrays aus dem Satz der Metasurface-Arrays. Hierfür kann eine Prädiktion erfolgen, welche Biomolekül-Proteine vorhanden sein könnten und welche nachgewiesen werden sollen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Auswahl von relevanten Biomolekül-Proteinen getroffen werden und die Auswahl des passenden Metasurface-Arrays abhängig von der Auswahl der relevanten Biomolekül-Proteinen getroffen werden. Die Auswahl kann von einen Bediener getroffen werden. Da allerdings typischerweise eine Vielzahl von unterschiedlichen Bindern auf einem Metasurface-Array angeordnet sind und damit einhergehend eine Vielzahl von möglichen Kombinationen für die Metasurface-Arrays vorhanden sind, kann das passende Metasurface-Array vorteilhaft aus einer Datenbank ausgewählt werden. Insbesondere kann die Auswahl computerimplementiert erfolgen.
Nach der Bereitstellung des Metasurface-Arrays wird die zu untersuchende Probe in Form einer wässrigen Lösung der Biomoleküle an die Metaoberfläche des Metasurface-Arrays herangeführt und dann über die Metaoberfläche hinweggeführt. Die in der wässrigen Lösung vorhandenen Biomolekül-Proteine werden von den dafür eingerichteten Bindern in den entsprechenden Segmenten festgehalten. Vorzugsweise wird die wässrige Lösung hierbei über die Metaoberfläche des Metasurface-Arrays gespült. Durch die große Menge und die hohe Geschwindigkeit beim Spülen wird sichergestellt, dass die Biomoleküle die gesamte Metaoberfläche erreichen und dass sich die Biomolekül-Proteine nicht willkürlich absetzen, sondern nur von den entsprechenden Bindern aus der wässrigen Lösung entnommen werden und somit nur in dem zugeordneten Bereich festgehalten werden.
Zur Analyse wird das Metasurface-Array und mit diesem die festgehaltenen Biomoleküle mit elektromagnetischer Strahlung von einer Strahlenquelle bestrahlt. Die elektromagnetische Strahlung liegt vorzugsweise in einem Frequenzbereich zwischen 1300 cm^-1 (~39 THz) und 1800cm^-1 (~54 THz) und deckt einen möglichst großen Bereich ab. Insbesondere wird ein Frequenzbereich verwendet, der die für die Analyse relevanten Absorptionsspektren der Biomoleküle abdeckt. Der Frequenzbereich kann entsprechend dem verwendeten Metasurface-Array ausgewählt werden. Es kann sowohl eine Reflexionsmessung als auch eine Transmissionsmessung vorgesehen sein, wobei in beiden Fällen die Metaoberfläche bestrahlt wird. Die reflektierte bzw. transmittierte elektromagnetische Strahlung wird von einem Detektor aufgenommen. Der Detektor oder eine nachgeschaltete Recheneinheit können die reflektierte bzw. transmittierte elektromagnetische Strahlung aufteilen und den Bereichen, aus denen sie stammt, zuordnen.
Sind in einem Bereich auf der Metaoberfläche Biomolekül-Proteine vorhanden, die durch die Binder festgehalten werden, so absorbieren sie gemäß ihrem Absorptionsspektrum die elektromagnetische Strahlung. Das Vorhandensein eines bestimmten Biomolekül-Proteins in einem Bereich, das selektiv von dem Binder dort festgehalten wird, führt dann aufgrund der Absorption in diesem Bereich zu einer Abnahme des Reflexionsspektrums bzw. des Transmissionsspektrums. Durch Auswertung der von der Metaoberfläche transmittierten bzw. reflektierten elektromagnetischen Strahlung von den einzelnen Bereichen wird festgestellt, in welchem Bereich das Reflexionsspektrum bzw. das Transmissionsspektrum verringert ist; zumindest für die Frequenzen, die den Resonanzfrequenzen der dort vorhandenen Strukturen entsprechen. Wenn in einem bestimmten Bereich das Reflexionsspektrum bzw. das Transmissionsspektrum verringert ist, ist demnach ein Biomolekül-Protein in diesem bestimmten Bereich vorhanden. Es ist ausreichend bei der Analyse zu ermitteln, ob in den jeweiligen Bereich Biomolekül-Proteine anhaften oder nicht. Dies macht die Messung und die Analyse besonders einfach. Aus der Zuordnung, welcher Binder in diesem bestimmten Bereich aufgetragen ist und welches Biomolekül-Protein dieser Binder festhalten kann, kann das vorhandene Biomolekül-Protein identifiziert werden. Schließlich kann aus der Kombination der identifizierten, vorhandenen Biomolekül-Proteine die Zusammensetzung der Probe ermittelt werden.
Die Analyse kann vorzugsweise in einem Lab-on-Chip durchgeführt werden. Hierfür kann das Metasurface-Array in das Lab-on-Chip eingesetzt werden und das Lab-on-Chip weist dabei den Sensor für die Analyse auf.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Metasurface-Arrays und eines Lab-on-Chip.
2a-c zeigen jeweils eine Draufsicht auf die Metaoberfläche des Metasurface-Arrays ohne Beschichtung (a), mit Beschichtung (b) und mit anhaftenden Biomolekül-Proteinen (c).

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Metasurface-Arrays 1 und eines Lab-on-Chip LOC, in dem das Metasurface-Array angeordnet ist. Das Metasurface-Array 1 ist als Kartusche ausgebildet, die austauschbar in das LOC einsetzbar ist und dort zur Analyse einer Probe P dient.
In den 2a-c sind jeweils eine Draufsicht auf die Metaoberfläche O des Metasurface-Array 1 dargestellt. In 2a ist das Metasurface-Array im Grundzustand dargestellt. Die Metaoberfläche O weist Mikrostrukturen 6 auf, welche Metasurface-Arrays kennzeichnen und die deshalb hier nicht näher beschrieben und dargestellt sind. Darüber hinaus ist die Metaoberfläche O in 16 quadratische Segmente S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ aufgeteilt, die in Reihen und in Spalten zu je 4 Segmenten angeordnet sind. Die Segmente S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ entsprechen in diesem Ausführungsbeispiel in Form, Größe und Position den quadratischen Quadranten, in denen die Mikrostrukturen des Metasurface-Arrays auf der Metaoberfläche O angeordnet sind. Damit weisen die Strukturen innerhalb eines Segments S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ den gleichen Formfaktor auf und unterscheiden sich in ihrem Formfaktor von anderen Segmenten S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄.
In 2b ist eine Beschichtung 7 auf die Metaoberfläche O des Metasurface-Arrays aufgebracht. Die Beschichtung 7 besteht aus unterschiedlichen Bindern, z. B. Binder-Proteinen oder Binder-Peptiden, wie Aptameren, und gegebenenfalls weiteren zur Auftragung und/oder zur Befestigung der Binder auf der Metaoberfläche O dienlichen Stoffen. Jeder der unterschiedlichen Binder weist eine dreidimensionale Struktur auf, mit der es ein bestimmtes Protein oder eine bestimmte Gruppe von Proteinen festhalten kann. Die unterschiedlichen Binder sind so in den Segmenten S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ verteilt, dass in jedem Segment S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ die gleichen Binder vorhanden sind und in unterschiedlichen Segmenten S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ voneinander verschiedene Binder angeordnet sind. Die Anordnung der Binder ist im Vorhinein für die Auftragung der Beschichtung 7 festgelegt und nach dem Auftragen der Beschichtung 7 bekannt. Da in diesem Ausführungsbeispiel die Segmente S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ den Quadranten der Mikrostrukturen entsprechen, wird der Formfaktor und der Binder für jedes Segment S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ passend zueinander gewählt. In diesem Zusammenhang bedeutet dies, dass die Resonanzfrequenz der Strukturen innerhalb eines Frequenzbereichs im Absorptionsspektrums des Biomoleküls, das spezifisch vom Binder festgehalten wird, liegt, welche eine charakteristische und/oder eine hohe Absorption zeigt.
In anderen Ausführungsbeispielen können die Quadranten der Mikrostrukturen auch unabhängig von den Segmenten der Binder angeordnet sein. Beispielsweise können die Quadranten über die gesamte Metaoberfläche O verteilt sein oder mehrere Quadranten in einem Segment liegen und/oder sich in Form und/oder Größe unterscheiden. In jedem Segment S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ sind Strukturen vorhanden, deren Resonanz im Absorptionsspektrum der Biomolekül-Proteine liegt, die mit den entsprechenden Bindern der Beschichtung 7 in dem jeweiligen Segment S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ festgehalten werden.
Im Lab-on-Chip LOC aus 1 ist ein Zulauf 2 vorgesehen, über den eine wässrige Lösung der Biomoleküle aus einem Reservoir 3 dem Metasurface-Array 1 zugeführt wird. Die wässrige Lösung wird dabei über die Metaoberfläche O des Metasurface-Arrays 1 in großer Menge und mit hoher Geschwindigkeit gespült. Die Probe P wird somit auf die Metaoberfläche O des Metasurface-Array 1 aufgetragen und kann analysiert werden. Die in der wässrigen Lösung vorhandenen Biomolekül-Proteine werden von den dafür eingerichteten Bindern in den entsprechenden Segmenten S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ festgehalten.
In 2c ist das Metasurface-Array 1 mit der Probe P aus 1 dargestellt. Die Beschichtung 7 ist in dieser Figur der Übersicht wegen nicht mehr dargestellt, aber weiterhin vorhanden. In diesem Beispiel sind lediglich in den markierten Segmenten S₁₁, S₁₄, S₂₂, S₄₂ und S₄₄ Biomolekül-Proteine an den Bindern haften geblieben. Um diese Segmente bestimmen zu können wird dieses Metasurface-Array 1 mit der Probe P nun im Lab-on-Chip LOC aus 1 analysiert. Es ist ausreichend bei der Analyse zu ermitteln, ob in einem Segment S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄ Biomolekül-Proteine anhaften oder nicht. Wenn durch die Analyse ermittelt worden ist, in welchen Segmenten Biomolekül-Proteine an die Binder anhaften - also in diesem Beispiel in den genannten markierten Segmenten S₁₁, S₁₄, S₂₂, S₄₂, S₄₄ - kann aus der Zuordnung, welcher Binder im jeweiligen Segment S₁₁, S₁₄, S₂₂, S₄₂, S₄₄ aufgetragen ist und welches Biomolekül-Protein dieser Binder festhalten kann, die vorhandenen Biomolekül-Protein identifiziert werden.
Im Lab-on-Chip LOC aus 1 ist ferner eine Infrarot-Diode 4, die Infrarot-Strahlung IR in Richtung des Metasurface-Arrays 1 aussendet, und eine Infrarot-Kamera 5, die ein Bild der Metaoberfläche O des Metasurface-Arrays 1 aufnimmt vorgesehen, mit denen die Analyse durchgeführt wird. Das Lab-on-Chip LOC ist für eine Transmissionsmessung ausgelegt. Die Infrarot-Diode 4 bestrahlt das Metasurface-Array 1 von der der Metaoberfläche O gegenüberliegenden Hinterseite. Bei Bestrahlung des Metasurface-Arrays 1 mit der Infrarot-Strahlung IR werden in den jeweiligen Segmenten S₁₁ - S₄₄ scharfe Transmissions-Peaks bei der Frequenz, die der Resonanz der Strukturen in dem jeweiligen Segment S₁₁ - S₄₄ entspricht, emittiert. Haftet ein Biomolekül-Protein in einem Segment, wie beispielsweise in 2c den Segmenten S₁₁, S₁₄, S₂₂, S₄₂, S₄₄, an der Metaoberfläche O an, so absorbiert dieses Biomolekül-Protein entsprechend seinem Absorptionsmuster einen Teil der transmittierten elektromagnetischen Strahlung. Das Transmissionsspektrum ist in diesen Segmenten S₁₁, S₁₄, S₂₂, S₄₂, S₄₄ reduziert. Das entstehende Absorptionsbild-Bild wird durch die Infrarot-Kamera 5, die auf der Seite der Metaoberfläche O angeordnet ist, optisch ausgelesen. Das Verteilung der Biomolekül-Proteine ist somit im Absorptionsbild -Bild der Infrarot-Kamera 5 zu sehen, nämlich in den Segmenten, in denen die anhaftenden Biomolekül-Proteine in Wechselwirkung mit den Strukturen treten. Nun wird, wie oben beschrieben, den Segmenten S₁₁, S₁₄, S₂₂, S₄₂, S₄₄ die entsprechenden Biomolekül-Proteine zugeordnet, die von den bekannten dort angeordneten Bindern festgehaltenen werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Lab-on-Chip LOC für eine Reflexionsmessung ausgelegt. Die Infrarot-Diode 4 und die Infrarot-Kamera 5 sind in diesem Fall beide auf der Seite der Metaoberfläche O angeordnet. Anstelle der Transmissions-Peaks werden bei Bestrahlung Reflexions-Peaks emittiert und das Absorptions-Bild durch die Infrarot-Kamera 5 aufgenommen.

Claims

Metasurface-Array (1) zur Analyse von Biomolekülen, aufweisend Mikrostrukturen (6) auf einer Metaoberfläche (O), gekennzeichnet durch eine Beschichtung (7), die verschiedene Binder umfasst, die in unterschiedlichen Bereichen auf der Metaoberfläche (O) angeordnet ist, wobei die verschiedenen Binder in den unterschiedlichen Bereichen eingerichtet sind, jeweils andere Biomolekül-Proteine an der Metaoberfläche (O) festzuhalten.
Metasurface-Array (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) aus verschiedenen Bindern besteht.
Metasurface-Array (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostrukturen (6) korrespondierend zu den unterschiedlichen Bereichen ausgebildet sind.
Metasurface-Array (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Bereiche in Form von im wesentlichen quadratischen Segmenten (S₁₁, S₁₂, S₂₁,..., S₄₄) ausgebildet sind.
Metasurface-Array (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlichen Bereiche in Reihen und Spalten angeordnet sind.
Metasurface-Array (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metasurface-Array (1) als Kartusche für ein Lab-on-Chip (LOC) ausgebildet ist.
Metasurface-Array (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metasurface-Array (1) ausgebildet ist, eine wässrige Lösung der Biomoleküle aufzunehmen und über die Metaoberfläche (O) zu führen.
Verfahren zur Analyse von Biomolekülen mittels eines Metasurface-Arrays (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch - Bereitstellen des Metasurface-Arrays (1); - Führen einer wässrigen Lösung der Biomoleküle über die Metaoberfläche (O) des Metasurface-Array (1); - Bestrahlen des Metasurface-Arrays (1) und der festgehaltenen Biomoleküle mit elektromagnetischer Strahlung (IR) und Aufnehmen der reflektierten oder transmittierten elektromagnetischen Strahlung aus den verschiedenen Bereichen; - Auswerten des Reflexionsspektrums bzw. des Transmissionsspektrums; - Ermitteln der Biomoleküle durch Zuordnung des Reflexionsspektrums bzw. des Transmissionsspektrums zu den Bereichen des Metasurface-Arrays (1).
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung das Metasurface-Array (1) aus einem Satz von Metasurface-Arrays mit unterschiedlicher Beschichtung ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung der Biomoleküle über die Metaoberfläche (O) gespült wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse in einem Lab-on-Chip (LOC) durchgeführt wird.