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Forschungsbericht 2017
(2017)
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.
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.
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.
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.
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.
The label-free nature of surface plasmon resonance techniques (SPR) enables a fast, specific, and sensitive analysis of molecular interactions. However, detection of highly diluted concentrations and small molecules is still challenging. It is shown here that in contrast to continuous gold films, gold nanohole arrays can significantly improve the performance of SPR devices in angle-dependent measurement mode, as a signal amplification arises from localized surface plasmons at the nanostructures. This leads consequently to an increased sensing capability of molecules bound to the nanohole array surface. Furthermore, a reduced graphene oxide (rGO) sensor surface was layered over the nanohole array. Reduced graphene oxide is a 2D nanomaterial consisting of sp2-hybridized carbon atoms and is an attractive receptor surface for SPR as it omits any bulk phase and therefore allows fast response times. In fact, it was found that nanohole arrays demonstrated a higher shift in the resonance angle of 250–380% compared to a continuous gold film. At the same time the nanohole array structure as characterized by its diameter-to-periodicity ratio had minimal influence on the binding capacity of the sensor surface. As a simple and environmentally highly relevant model, binding of the plasticizer diethyl phthalate (DEP) via π-stacking was monitored on the rGO gold nanohole array realizing a limit of detection of as low as 20 nM. The concentration-dependent signal change was studied with the best performing rGO-modified nanohole arrays. Compared to continuous gold films a diameter-to-periodicity ratio (D/P) of 0.43 lead to a 12-fold signal enhancement. Finally, the effect of environmental waters on the sensor was evaluated using samples from sea, lake and river waters spiked with analytically relevant amounts of DEP during which significant changes in the SPR signal are observed. It is expected that this concept can be successfully transferred to enhance the sensitivity in SPR sensors.
