Brechungsindexsensoren basierend auf metallischen Nanostrukturen - Untersuchung der Sensitivität, Anwendung als Biosensor und Integration in einen kompakten Aufbau

Abstract

In metallischen Nanostrukturen können Elektronen zu kollektiven Schwingungen angeregt werden. Diese Schwingungen werden als lokalisierte Oberflächenplasmonen bezeichnet. Sie weisen eine Resonanzfrequenz auf, welche von Größe, Form und Material der Nanostruktur, sowie deren Umgebung abhängt. Eine Anregung solcher Plasmonen kann beispielsweise durch Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung geschehen. Für Metalle, wie Gold und Silber liegen die Plasmonenresonanzen im sichtbaren Bereich des Spektrums und können mit gängigen optischen Mikroskopen und Spektrometern untersucht werden. Die Sensitivität der Resonanz auf die Umgebung der Nanostruktur kann für sensorische Anwendungen genutzt werden. So können Änderungen des Brechungsindex des Mediums, in welchem sich die Nanostruktur befindet, durch Resonanzverschiebungen nachgewiesen werden. Da auch die Anlagerung von Biomolekülen den effektiven Brechungsindex in der Umgebung der Nanostrukturen ändert, eignen sie sich für die Anwendung als Biosensor. In dieser Arbeit werden verschiedene Nanostrukturen hergestellt und auf ihre Sensitivität hin untersucht. Dabei werden neben einfachen Strukturgeometrien auch Hybridstrukturen und Gitteranordnungen, welche aus mehreren wechselwirkenden Einzelelementen aufgebaut sind, betrachtet. Die Anwendbarkeit als Biosensor wird mit Hilfe eines Testosteron-Immunassays gezeigt. Dabei erfolgt der Nachweis von Antikörpern aus einer Lösung durch Resonanzverschiebung nach Anbindung an eine spezifische Erkennungsstruktur an den Nanostrukturen. Weiterhin wird ein Ansatz für einen kompakten Aufbau des Sensors verfolgt. Die Nanostrukturen werden dafür auf eine GRIN-Linse aufgebracht, deren Fokusebene direkt auf ihrer Oberfläche liegt. Dadurch können die Strukturen ohne zusätzliche Justage oder weitere teure optische Elemente abgebildet werden. Durch Integration der Linse in eine Mikrofluidikzelle wird die Herstellung von einfach zu handhabenden und kostengünstigen Biosensoren ermöglicht.