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Surface Plasmon Resonance (SPR) is a well-known and established technology in bioanalysis and pharmaceutical sciences. Due to the expensive instrumentation and the need of trained people, it is mainly limited to applications in laboratories. However, there are some areas like environmental monitoring, chemical processing and civil infrastructure, which urgently need new sensor technologies. SPR has the potential to serve these fields. In order to be qualified for a use in these areas SPR has to overcome some hurdles. The instrumentation has to be robust, small in size and cheap. A device, which fits these needs, will be a micro-opto-electro-mechanical system (MOEMS) with integrated intelligent algorithms. In this book chapter, examples of miniaturized SPR devices are introduced, the limitations which have to be overcome as well as the possibilities for future applications are proposed. Due to the manifold advantages of this technology and the dropping prices for imaging sensors, Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi) might become one of the leading technologies for SPR smart sensor systems.
Gezeigt wird die Miniaturisierung eines Messsystems für Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR), einer markierungs-, sowie zerstörungsfreien als auch hoch sensitiven Technologie. Aufgrund der hohen Kosten klassischer SPR-Geräte wird sie bisher jedoch vornehmlich in der Bio- und Medizintechnik eingesetzt. Das Messprinzip ermöglicht die Erfassung von Brechungsindexänderungen nahe einer Oberfläche. Der Transfer dieser Technologie von Laborgeräten hin zu einem miniaturisierten Sensorsystem senkt die Kosten, macht das System robuster und ermöglicht so ein wesentlich breiteres Anwendungsspektrum. Ein sehr vielversprechendes Merkmal des hier vorgestellten Systems ist die Möglichkeit den SPR-Effekt winkelabhängig zur Lichtquelle ohne bewegliche Bauteile zu verfolgen.
The miniaturization of Surface Plasmon Resonance (SPR) technology, which mainly finds its applications in pharmaceutical screening and biotechnology so far, is described. SPR spectroscopy is a label-free, non destructive and highly sensitive measurement principle which is capable of detecting changes in the refractive index in striking distance to a gold surface. A transfer of this technology to a miniaturized sensor will broaden the range of possible applications. A promising feature which is included in the miniaturized system is the angle-dependent recording of the SPR signals without moving parts.
We describe the miniaturization of the Surface Plasmon Resonance (SPR) technology which mainly finds its applications in pharmaceutical screening and biotechnology so far. SPR spectroscopy is a label-free, non-destructive and highly sensitive measurement principle detecting changes in the refractive index in striking distance to a gold surface. A transfer of this technology to a miniaturized sensor will broaden the range of possible applications. A promising feature which is included in the miniaturized system is the angle-dependent recording of the SPR signals without moving parts. Commercial SPR assays are mainly working with a small number of sensing spots. In contrast, the SPR imaging system shown here will allow to use an array of many sensing spots. In combination with chemical receptors designed as an artificial nose, the simultaneous detection of many analytes is envisioned for future applications.
Mit der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) können Brechungsindexänderungen eines Analyten von bis zu 10-6 RIU detektiert werden. Das SPR-Imaging bietet heute gegenüber der konventionellen SPR-Analyse die Möglichkeit, mehrere einzelne Messungen parallel durchführen zu können. Mit Hilfe eines zweidimensionalen Sensorchips und einer leistungsfähigen Boardlevelkamera können die Abbildungen des Chips direkt an einen Rechner übertragen und dort verarbeitet werden. Aufgrund unterschiedlicher Winkelstellungen und der Geometrie des Aufbaus entstehen Stauchungen und Streckungen des abgebildeten Sensorchips, die mit verschiedenen Ansätzen aus der Bildverarbeitung ausgeglichen werden, um die Bilder miteinander vergleichen zu können. Zudem wird die Güte der Referenz- und Messbereiche des Chips bestimmt. Diese Algorithmen sind nur möglich aufgrund der heutigen, leistungsfähigen Rechner und der immer größer werdenden Durchsatzraten der Kameras. Dabei kommt in dieser Anwendung der relativ neue Kamerastandard USB3 Vision zum Einsatz. Dieser zeichnet sich zusätzlich durch das Plug and Play und seinen Standardstecker, der an (fast) jedem Rechner vorhanden ist, aus.
Die Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (SPR) wird aufgrund ihrer Vorzüge der zerstörungs- und markierungsfreien Messung, sowie der hohen Sensitivität sehr erfolgreich im Labormaßstab eingesetzt. Aufgrund der hohen Kosten geschieht dies bislang hauptsächlich in der Bioanalytik und dem Wirkstoffscreening. Gezeigt wird ein Ansatz, mit dem diese Technologie auf ein ultrakompaktes, kostengünstiges Sensorsystem übertragen wird, welches in der Lage ist, hoch-sensitiv Änderungen im Brechungsindex von 10-6 Einheiten (RIU) zu detektieren. Für Wasser bewirkt eine Temperaturschwankung von 1 K bereits eine Änderung von 1 mRIU. Daher wird durch ein integriertes Referenzsystem, sowie die Miniaturisierung erreicht, dass das System gegenüber Temperaturschwankungen, weitestgehend stabil ist. In dem MOEMS wird anstatt der konventionellen 1-Punkt bzw. 2-Punkt Messung ein bildgebendes Verfahren angewendet. Die Sensorfläche von 15 x 15 mm wird dabei mit einem handelsüblichen 4 Mio. Pixel CMOS Sensor ausgewertet. Um verlässliche Datenpunkte zu erhalten benötigt man eine Fläche von 10 x 10 Pixel. Demzufolge können auf dem Sensor theoretisch bis zu 40.000 Sensorspots parallel ausgewertet werden.
We describe how to build a homogeneous light source for Surface Plasmon Resonance Imaging (SPRi) which mainly finds its applications in pharmaceutical screening and biotechnology so far. SPR spectroscopy is a label-free, non-destructive and highly sensitive measurement principle for detecting changes in the refractive index in close vicinity of a gold surface. A transfer of this technology to a miniaturized sensor will broaden the range of possible applications. Commercial SPR assays are mainly working with a small number of sensing spots. In contrast, the SPR imaging system shown here will allow the use of an array of many sensing spots. In combination with chemical receptors designed as an artificial nose or an electronic tongue, the simultaneous detection of many analytes is envisioned. So far, lasers or other inhomogeneous light sources were used to illuminate the sensing surface, which is decreasing the systems sensitivity. We show a compact ( 300mm2) homogeneous top hat profile. The combination of a high bit-resolution camera with our new light source enables a reflectivity based surface plasmon resonance imaging system with a high refractive index unit (RIU) resolution.
Forschungsbericht 2017
(2017)