Metallische Nanokegel: Herstellung, Charakterisierung und Ansätze für die Anwendung in der Biosensorik

Abstract

Die dreidimensionalen, konischen Gold-Nanokegel haben sehr scharfe Spitzen mit Radien von bis zu 5 nm und weniger, was bei geeigneter Anregung ein sehr starkes und räumlich äußerst lokalisiertes elektromagnetisches Feld an der Kegelspitze ermöglicht. Herstellen lassen sich diese Strukturen je nach Zielanwendung durch verschiedene Prozesse, die entweder auf Elektronenstrahllithographie oder Nanosphere-Lithographie basieren. Die verschiedenen Prozesse ermöglichen eine Herstellung der metallischen Kegel auf verschiedenen Substraten und Topographien.

Die optischen Eigenschaften dieser vielseitig einsetzbaren Strukturen werden durch Dunkelfeldspektroskopie, Simulationen und Ramanspektroskopie an dünnen Molekülfilmen auf metallischen Nanokegeln untersucht. Dunkelfeldspektroskopie bietet dabei die Möglichkeit, die plasmonischen Resonanzen der metallischen Nanokegeln zu bestimmen. Der Einsatz von Nanokegeln als Raman-Substrat (SERS) ist eine Möglichkeit, diese Struktur in der Biosensorik zu nutzen.

Das Besondere an metallischen Nanokegeln im Vergleich zu anderen Nanostrukturen ist deren scharfe Spitze, an der die größte Feldstärke lokalisiert ist. Es stellt eine große Herausforderung dar, möglichst viele Moleküle in diese interessante Position an der Kegelspitze zu bringen und dort zu konzentrieren. Ein weiteres Kernthema dieser Arbeit ist deshalb der Einfang von Molekülen aus Lösungen an den Nanokegeln beziehungsweise deren Spitzen. Dazu werden die Nanokegel in Mikrofluidikkanäle integriert, kontaktiert und durch Anlegen von geeigneten Spannungen wird zwischen Nanokegel und einer Gegenelektrode ein inhomogenes elektrisches Feld erzeugt, welches zum Einfang von Partikeln oder Molekülen mittels Dielektrophorese genutzt wird.

Um gezielt den Effekt des starken Nahfeldes an der Spitze untersuchen zu können, wird zudem eine Methode vorgestellt, die es ermöglicht, Moleküle nur an den Spitzen dieser Nanostrukturen anzubinden, während die Kegelbasis und das Substrat ohne Moleküle bleiben. Durch die kleinen Abmessungen der Kegelspitze von wenigen Nanometern lassen sich auf diese Weise sehr geringe Mengen an Partikeln oder Molekülen untersuchen.