Reflektometrische und integriert optische Sensoren für die Bioanalytik

Abstract

Das Interesse an Biosensoren für die Charakterisierung von biologischen Systemen ist seit mehreren Jahren ungebrochen und wird aufgrund neuer Forschungsfelder und erweiterten potentiellen Anwendungsmöglichkeiten weiter steigen. Speziell auf dem Gebiet optischer Sensoren wird zwischen fluoreszenzbasierten Methoden, die mit farbstoffmarkierten Analyten arbeiten, und markierungsfreien Methoden unterscheiden. Diese markierungsfreien Methoden detektieren in der Regel direkt oder indirekt die Änderung einer physikalischen Größe, die durch die Anbindung von Analyten an die Sensoroberfläche hervorgerufen wird. In der hier präsentierten Arbeit beschäftige ich mich mit zwei optischen Grundprinzipien markierungsfreier Detektionsmethoden und deren Optimierung für die Biosensorik. Zum einen versuche ich, das prinzipielle Verhalten von reflektiertem Licht für Sensoranwendungen genau darzulegen. Nach einer theoretischen Einführung, einer präzisen Erläuterung der in unserer Gruppe entwickelten Methode der Reflektometrischen Interferenzspektroskopie (RIfS) und weiteren Überlegungen wird sich zeigen, daß im Prinzip Reflektivitäten von nur einer Wellenlänge als Sensorsignal zur Detektion von Bindungsvorgängen ausreichend sind. Die Qualität der Messungen sowie die Übereinstimmung mit der etablierten RIfS-Methode werden dies beweisen. Zudem funktioniert das Prinzip der Einwellenlängen-Reflektometrie unabhängig vom Glasträger. Durch diese Universalität und Einfachheit der hier entwickelten Methode ist eine zukünftige Parallelisierung oder Miniaturisierung des Prinzips mit relativ wenig technischem Aufwand verbunden im Vergleich zur sehr weit verbreiteten Oberflächenplasmonenresonaz (SPR). Es werden weitere Rechnungen präsentiert, die zeigen werden, daß die Signaldynamik des Sensors neben einer geeigneten optischen Zusammensetzung des Trägers enorm von der geometrischen Randbedingung des Einfallswinkels des monochromatischen Lichts auf den Träger abhängt und entsprechend um ein Vielfaches vergrößert werden kann. Zum anderen präsentiere ich mit einem rein brechungsindexsensitiven zweiten Sensor ein integriert optisches Mach-Zehnder Interferometer (MZI). Die Strukturen des Sensors wurden optimal ihrem Einsatzfeld in der Bioanalytik angepaßt. Dabei mußte auch wegen des unterschiedlichen Wellenleitermateriels aus Siliziumnitrid ein modifiziertes Protokoll zur Oberflächenbelegung der selektiven Schicht entwickelt werden. Es wird gezeigt, daß die optimierte Struktur des MZI eine stark verbesserte Signaldynamik gegenüber bisher bei uns verwendeten integriert optischen Bauteilen und der Einwellenlängen-Reflektometrie aufweist. Allerdings muß dieser Vorteil durch einen erhöhten apparativen Aufwand erkauft werden. Zudem liegt leider noch ein zu großes Rauschen auf den eigentlichen Meßkurven, das diesen Vorteil bisher praktisch zunichte macht. Eine verbesserte Meßtechnik, die hier vorgestellt wird, soll Abhilfe schaffen. Zusammenfassend gesagt habe ich den stetigen Prozeß der Optimierung und Verbesserung der Sensoroberflächen bezüglich ihrer "chemischen" Sensitivität, der in unserer Gruppe sehr erfolgreich vorangetrieben wird, auf die optischen und geometrischen Randbedingungen der hier besprochenen Sensorsysteme ausgedehnt. Genauso wichtig wie eine möglichst gut präparierte Sensoroberfläche für optimale Anbindung des gesuchten Analyten an dieselbe, ist eine möglichst gute optische Optimierung der Sensorumgebung für die Photonen als Meßsonden, um diese Anbindung optimal detektieren zu können. Nur die Kombination aus beiden Optimierungen verspricht einen Biosensor bei dem die Signale maximal sind. Daß man dabei mit manchen Methoden im Prinzip bessere Signale erhält, andere dafür universeller einsetzbar sind, liegt in der Natur der unterschiedlichen Sensorprinzipien und rechtfertigt deren Existenz nebeneinander.

For many years there is a big interest in biosensors for characterizing biological systems, and it will even increase because of new fields of research and extended applications. In the field of optical sensors you distinguish between fluorescence based detection methods, which work with dye labeled analytes, and label-free detection principles. These label-free principles detect normally directly or indirectly the change of a physical value, that is caused by the binding process of analyte to the sensor surface. In this work I focused on two optical label-free detection principles and their optimization for bioanalytical applications. First I try to point out the behavior of reflected light for sensing applications. After a theoretical introduction, a precise explanation of the Reflectometric Interference Spectroscopy (RIfS) principle (that was developed in our group), and additional considerations, I will show that the monitoring of binding reactions is possible with the detection of reflected light of only one wavelength. The quality of the measurements, and their conformity with measurements done with the established RIfS principle, will proof this conclusion. Additionally this "Single Wavelength Reflectometry" principle is working independently of the chosen transducer system. Because of this universality and simplicity of the developed method, a miniaturization and parallelization of this principle is possible with low technical effort, compared to the widely spread Surface Plasmon Resonance (SPR). I will present additional calculations, which will show that the signal dynamics of a sensor can be increased by more than one magnitude with the choice of a perfect combination of the optical properties of the transducer system and the angle of incidence of the monochromatic light. Second I present with an integrated optical Mach-Zehnder Interferometer (MZI) a pure refractive index sensitive sensor. The structure of this sensor was adjusted optimally to its bioanalytical applications. Due to the wave guiding layer of silicon nitride I had to develop a modified surface chemistry procedure to bind biosensitive layers to this surface. I will show that this optimized MZI has a much higher signal dynamics compared to the "Single Wavelength Reflectometry"-principle and integrated optical sensors, which were used in our group before. However this advantage can just be reached with a much higher experimental effort. Furthermore there is at the moment still a big noise on the measurements, which destroy this signal dynamics advantage so far. An improved measuring technique could eliminate this problem and is described in this work, too. Recapitulating I expanded the continuous and successful optimization process of sensor surface modification in our group concerning the "chemical" sensitivity to optical and geometrical parameters of the sensor systems that are described in this work. Like an optimally prepared sensor surface ensures best binding conditions of the wanted analyte, an optimized sensor environment for the photons as measuring probes is very important to detect this binding process as well as possible. Only the combination of both optimizations delivers a sensor with maximum signals. The fact that some detection methods are in principle more sensitive, while others can be used more universal, is because of the total different sensing principles and justifies their coexistence.