2026-07-012026-07-01https://hdl.handle.net/11420/63751Mittelinfrarot-Absorptionsspektroskopie liefert einzigartige Informationen über die innere Zusammensetzung biologischer Systeme durch die Detektion der charakteristischen Vibrationsbanden der beteiligten Moleküle. Resonante metallische Nanoantennen fokussieren Mittelinfrarotlicht in nanometer-große Bereiche, was die Anwendung solcher Ansätze auf dünne biologische Membran-Systeme und geringe Molekülzahlen erlaubt. Jedoch stellen Ohm’sche Verluste bislang eine signifikante Begrenzung für das Auflösungsvermögen in solchen metall-basierten Systemen dar, speziell wenn die komplexen Wechselwirkungen mehrerer biologischer Komponenten untersucht werden sollen. Im beantragten Projekt werde ich neuartige, komplett aus dielektrischen Materialien bestehende Meta-Oberflächen entwickeln und für die Untersuchung von Zellkommunikations- und Migrationsprozessen einsetzen. Speziell werde ich Meta-Oberflächen mit extrem scharfen Resonanzen und hoher Nahfeld-Verstärkung entwerfen um die charakteristischen Absorptions-Signaturen von Biomolekülen zu detektieren. Im Unterschied zu bisherigen metallischen Nanoantennen mit vergleichsweise breiten Resonanzen, können dielektrische Meta-Oberflächen mehrere Absorptionsbanden an verschiedenen spektralen Positionen gezielt verstärken und auslesen, selbst wenn diese über einen breiten Spektralbereich verteilt sind. Mit dieser neuartigen Methode werde ich zunächst biologische Prozesse im Zusammenhang mit der Perforation von Zellmembranen durch das zytolytische Protein Perforin untersuchen, welches eine bedeutende Rolle für die Funktionen des Immunsystems spielt. Anschließend werde ich schaltbare spektral-selektive Meta-Oberflächen mit spektroskopischer Bildgebung kombinieren um die räumliche Verteilung verschiedener molekularer Komponenten in einem biologischen System zu detektieren. Diese Experimente liefern tiefgreifende Erkenntnisse zur Zellkommunikation, indem sie, z.B., in Ensembles von Krebszellen sowohl die Menge als auch die räumliche Verteilung von ausgeschütteten Signalmolekülen auflösen. Im Rahmen des Projekts werden hochmoderne experimentelle und theoretische Methoden angewendet, angefangen von elektromagnetischen Feld-Simulationen und hochauflösender Elektronenstrahl-Lithographie bis hin zu komplexer Mikrofluidik für die Untersuchung von Prozessen in dynamischen biologischen Systemen. Zusätzlich greift es auf die umfangreiche Nanooptik- und Sensorik-Erfahrung der aufnehmenden Gruppe von Prof. Maier, sowie auf die exzellente Infrastruktur der LMU München in den Bereichen Nanotechnologie und Biologie zurück. Die geplanten Arbeiten überwinden fundamentale Einschränkungen aktueller Ansätze und eröffnen dadurch eine neue Forschungsrichtung im Kontext der oberflächenverstärkten Infrarotspektroskopie. Die Kombination neuentwickelter Meta-Oberflächen und Detektions-Ansätze schafft eine vielseite Sensorplatform, die es erlaubt tiefgreifende biologische Fragestellungen in Multi-Zellularen Systemen zu beantworten.Optical spectroscopy approaches in the mid-infrared provide unique information about complex biological systems by detecting the characteristic absorption bands associated with the constituent molecules. Previously, resonant metallic antennas were utilized to focus mid-IR light into nanometer-sized volumes, enabling the study of thin membrane systems and low amounts of molecules. However, the performance of such metal-based systems is severely limited by Ohmic losses and the static nature of antenna materials, especially when investigating the interactions of multiple biological components. In the proposed project, I will develop novel all-dielectric metasurface concepts for surface-enhanced absorption spectroscopy and utilize them to resolve the dynamics of complex biological processes such as those associated with cellular communication. Specifically, I will design metasurfaces with high resonance quality factors (Q > 100) and strong electromagnetic near-field enhancements to amplify and detect the characteristic absorption signatures of biochemical molecules. In contrast to the broad resonances of metal-based antennas, such all-dielectric metasurfaces provide spectral selectivity, enabling the precise retrieval of fingerprint information at multiple specific target wavelengths with unprecedented sensitivity and over a wide spectral operating range. I will first utilize this technology to investigate the kinetics of cellular membrane disruption by the cytolytic protein perforin-1, which is a crucial process underlying the functions of white blood cells and the innate immune system. In addition, I will implement reconfigurable high-Q metasurfaces in spectroscopic imaging experiments, allowing me to track the spatial distribution of multiple molecular species in a biological system simultaneously. These experiments will provide previously unavailable insights into cellular communication processes by revealing both the amount and the spatial distribution of secreted signaling molecules in medically relevant systems such as lymphoma cancer cells. State-of-the-art design and nanofabrication methods will be used to carry out the proposed research, including full-wave electromagnetic simulations, high-resolution electron-beam lithography, and advanced microfluidic techniques for real-time in-situ investigations of biological systems. The research will be supported by the strong nanophotonic and sensor experience of the host group of Prof. Maier as well as by the excellent infrastructure of LMU Munich related to nanotechnology and cellular biology. The proposed project overcomes fundamental limitations of current techniques and will establish a pioneering direction for surface-enhanced detection. By leveraging newly developed metasurface concepts and sensing techniques, it launches a versatile sensor platform capable of answering fundamental questions in any biochemical system where access to spatially resolved molecular information is crucial.