TY - THES A1 - Scherbahn, Vitali T1 - Towards ultrasensitive SPR-based sensing: self-referencing and detection of single nanoparticles T1 - Entwicklung ultrasensitiver SPR-basierter Sensortechnologien: Selbstreferenzierung und Nachweis einzelner Nanopartikel N2 - Surface plasmon resonance (SPR) and its extensions, surface plasmon resonance imaging (SPRi) and surface plasmon resonance microscopy (SPRM) both enabling visualization of the sensor surface, belong to classical, indispensable highly sensitive and robust optical (bio)analytical techniques to study affinity processes on a surface. Nevertheless, SPR and SPRi/SPRM undergo a continuous development in regard to the improvement of sensitivity. The main challenge in this direction is attributed to the separation of signals due to the binding of analytes and those due to the bulk effect. The main task of the present thesis was to apply different strategies to improve the performance of SPR sensing. Within this scope, two main objectives were pursued: (1) implementation and realization of a so-called internal referencing towards suppression of the bulk effect leading to an improvement and optimization of the signal-to-noise ratio (SNR) and (2) application of wide-field (WF)-SPRM to detect, to visualize and to characterize single nanoparticles adsorbed to modified surfaces. The first objective of this thesis comprises the realization of three different internal-referencing approaches. In the first approach, a self-referencing effect based on arbitrarily distributed micro-patterned self-assembled monolayer (SAM) containing sensing and referencing spots was realized. Measurements of classical antigen-antibody-interaction resulted in a 10-fold improvement of the SNR by suppression of the bulk effect and the corresponding microfluctuations of the bulk temperature. The application of the second internal-referencing-approach, ionic referencing, acting as an assessment of patterned SAM was realized using electrolytes with a high molar refraction of either anions or cations to micro-patterned SAM combined with WF-SPRM as detecting technology. As a result, successful, unobtrusive visualization and spatial distinction of micro-patterned surfaces was shown. Unlike visualization of micro-scaled surface areas, the application of spatio-temporal referencing in WF-SPRM, as a third type of internal referencing, enables to detect, moreover to visualize and localize, smallest changes in refractive index near/on the sensor surface. In that sense, the second objective of this thesis was dedicated to the application of the WF-SPRM technology combined with spatio-temporal referencing to detect, to visualize, to quantify and to characterize single nanoparticles adsorbed to the sensor surface; here, nanoparticles act as analyte species. Based on a sophisticated image analysis, successful detection and characterization of single nanoparticles in complex media such as wine, juice and sun cream was performed. Besides being a powerful solution for nanoparticles analytics, the WF-SPRM technology represents a base to develop novel, ultra-sensitive and fast (bio)sensing platforms. Within this scope, enzyme-assisted generation of nanoparticles was studied. N2 - Oberflächenplasmonenresonanz (engl. surface plasmon resonance, SPR) und deren Erweiterungen Oberflächenplasmonenresonanz-Imaging (SPRi) und Oberflächenplasmonenresonanz-Mikroskopie (SPRM) gehören zu den klassischen, unverzichtbaren, robusten und äußerst empfindlichen Messtechnologien, um Affinitätsprozesse auf modifizierten Oberflächen zu untersuchen. Nichtsdestotrotz unterliegt diese Messtechnologie einem kontinuierlichen Entwicklungsprozess hinsichtlich der Messempfindlichkeit. Dabei stellt die Trennung des Affinitäts- vom Volumensignal die größte Herausforderung dar. Das Ziel der vorliegenden Dissertation besteht in der Anwendung von unterschiedlichen Strategien zur Optimierung der Leistung und der Empfindlichkeit von SPR-basierten (Bio)sensoren. Um das Ziel zu erreichen, wurden zwei Ansätze verfolgt: (1) Implementierung und Realisierung einer sogenannten internen Referenzierung zur Unterdrückung des Volumeneffekts mit dem Ziel, das Signal-Rausch-Verhältnis zu optimieren und (2) die Anwendung von Weitfeldoberflächenplasmonenresonanzmikroskopie (engl. wide-field (WF)-SPRM) zur Detektion, Visualisierung und Charakterisierung der Adsorption einzelner Nanopartikel auf modifizierten Oberflächen. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurden drei Ansätze zur Realisierung einer internen Referenzierung verfolgt. Der erste Ansatz basiert auf der Anwendung einer durch Referenz- und aktive Oberflächenbereiche mikrostrukturierten Beschichtung der Sensoroberfläche. Messungen von Antigen-Antikörper-Wechselwirkungen ergaben dabei eine 10-fache Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Der zweite Ansatz – ionische Referenzierung, um mikrostrukturierte Oberflächen mithilfe von WF-SPRM zu untersuchen bzw. abzubilden – basiert auf der Anwendung von Salzen, welche eine hohe Differenz in ihrer Molrefraktion aufweisen. Somit konnten schwierig zu untersuchende monomolekulare Oberflächenstrukturen, die z.B. unterschiedliche Oberflächenladungen aufweisen, sichtbar gemacht werden. Der dritte Ansatz basiert auf der Kombination einer räumlich-zeitlichen (engl. spatio-temporal) Bildreferenzierung mit bildgebender WF-SPRM-Technologie, um äußerst minimale Änderungen im Brechungsindex nahe der Sensoroberfläche visuell zu erfassen. Gleichzeitig stellt dieser Ansatz den zweiten Teil der vorliegenden Arbeit dar: Nachweis, Sichtbarmachung und Analyse der Wechselwirkung zwischen einzelnen Nanopartikeln und modifizierten Sensoroberflächen mittels höchstempfindlicher WF-SPRM. Der Nachweis einzelner Nanopartikel mittels WF-SPRM eröffnet neue Perspektiven hinsichtlich der Entwicklung innovativer Sensorplattformen. In diesem Sinne wurde die WF-SPRM-Technologie zur Untersuchung von enzym-vermittelter Synthese von Nanopartikeln sowohl mit ungebundenem als auch mit an die Sensoroberfläche gekoppeltem Enzym erfolgreich eingesetzt. KW - Surface plasmon resonance microscopy KW - Self-referencing KW - Single nanoparticles KW - Ezymatic synthesis of nanoparticles KW - Surface patterning KW - Enzymvermittelte Synthese von Nanopartikeln KW - Selbstreferenzierung KW - Einzelne Nanopartikel KW - Oberflächenstrukturierung KW - Oberflächenplasmonenresonanzmikroskopie KW - Oberflächenplasmonenresonanz KW - Oberflächenstruktur KW - Biosensor KW - Nanopartikel Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47119 ER -