Faseroptischer Oberflächenplasmonenresonanzsensor für die Bioanalytik
Final Report Abstract
In der medizinischen Diagnostik, der Bioverfahrenstechnik und Umwelttechnik besteht ein zunehmender Bedarf an kompakten Analysegeräten für die schnelle Detektion spezifischer Substanzen in Flüssigkeiten, die vor Ort eingesetzt werden können. Wesentliche Voraussetzung für die Konzeption solcher Analysegeräte ist einerseits die Entwicklung von miniaturisierten Sensoren und Flüssigkeitshandlingsystemen. Andererseits ist es von großem Vorteil, wenn für das Auslesen der Sensorsignale kommerziell vorhandene Signalverarbeitungs- und Messsysteme eingesetzt werden können. Im Rahmen des durchgeführten Projekts wurden in einer interdisziplinären Kooperation zwischen den Bereichen der Photonik, Chemie und Nanotechnologie, ein neuartiger optischer Sensor entwickelt und die technologischen und theoretischen Grundlagen für dessen Realisierung erforscht. Der äußerst kompakte Sensor basiert auf einer herkömmlichen Einmodenglasfaser und erlaubt die Untersuchung minimaler Probenvolumina (< 500 nl) ohne zusätzliche Mikrofluidik. Durch ein spezielles, optisch aktives Mehrschichtsystem auf dem Fasermantel und ein langperiodisches Fasergitter (engl.: long-period fiber grating = LPG) im Faserkern wird eine hochempfindliche Oberflächenplasmonenresonanz (engl.: surface plasmon resonance = SPR) einer einzelnen Mantelmode erreicht. Es wurden durch die theoretischen und experimentellen Untersuchungen grundlegende Erkenntnisse über die SPR der involvierten Mantelmoden gewonnen. Mit Hilfe eines äquivalenten Filmwellenleitermodells war es erstmals möglich, schnell und effizient die aus einer SPR resultierende Dämpfung und Phasengeschwindigkeit der Mantelmoden zu berechnen. Die Modellierung wurde genutzt, um unter Einbeziehung der Leistungs- und Phasenspektren des LPG die Kennlinie des Sensors zu simulieren. Dieses erlaubte eine Optimierung des LPG, der optisch aktiven Beschichtung und der Wellenlänge, mit dem Ziel die höchste Sensorempfindlichkeit und kleinste Sensorfläche für ein vorgegebenes Analytmedium zu erreichen. Die Funktionalität des Sensors beruht auf einem optisch aktiven Mehrschichtsystem aus Gold- und Cadmiumsulfid (CdS). Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden nasschemische Verfahren entwickelt, die eine gleichmäßige Abscheidung auf dem zylindrischen Fasermantel erlauben. Die Qualität der wenige Nanometer dünnen Lagen wurde mit hochauflösenden mikroskopischen Verfahren untersucht. Es konnte dabei gezeigt werden, dass sich die Topographie beider Lagen im Laufe der Abscheidungen stark ändert. Die Dicke und die komplexe Permittivität der einzelnen Lagen wurden auf planaren Glassubstraten mit einem klassischen Prismenaufbau untersucht. In den SPR-basierten Messungen konnte nachgewiesen werden, dass die optischen und strukturellen Eigenschaften der Abscheidungen erst oberhalb bestimmter Schichtdicken mit konventionellen physikalischen Beschichtungen vergleichbar sind. Als ein wesentliches Resultat konnte gezeigt werden, dass die hergestellten CdS-Schichten geeignet sind, die Wellenlänge an der eine SPR auftritt abzustimmen. Dadurch werden hochempfindliche Messungen bei Telekommunikationswellenlängen ermöglicht, die eine Erhöhung der Resonanzgüte erlauben und mit präzisen Standardkomponenten aus der Nachrichtentechnik durchgeführt werden können. In Experimenten mit einem LPG unterhalb der optisch aktiven Faserbeschichtung konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Verluste der Mantelmoden sondern auch deren Phasengeschwindigkeit maßgeblich von einer SPR beeinflusst werden. Dies steht im Einklang mit den Ergebnissen der Modellierung der Mantelmoden. Anhand der gemessenen Spektren konnte die komplexe Permittivät der Faserbeschichtung bestimmt werden. Die Ergebnisse stimmen für die Goldbeschichtung im Wesentlichen mit den schichtdickenabhängigen Werten der planaren Abscheidungen überein. Allerdings ist die Abscheiderate auf der Faser deutlich höher. An einem äquivalenten Sensoraufbau mit zwei LPG konnten die Simulationen der Sensorkennlinien experimentell validiert werden. Mit einer 3 mm langen, nasschemisch abgeschiedenen Goldbeschichtung wurde eine Empfindlichkeit von 10/RIU nachgewiesen, die im Bereich leistungsstarker, faseroptischer Brechzahlsensoren liegt. Die Polarisationsabhängigkeit der Sensorkennlinie war gering.
Publications
- Miniaturized Fiber-Optic Surface-Plasmon-Resonance Sensor, 21st International Conference on Optical Fiber Sensors, Ottawa, Canada, Proc. of SPIE (2011) 7753-474
T. Schuster, N. Neumann, C.G. Schäffer
- Biosensing with Optical Wave-guides, in Bio and Nano Packaging Techniques for Electron Devices, Eds: G. Gerlach, K.J. Wolter, Springer Berlin Heidelberg (2012) p. 557-579
T. Schuster, R. Landgraf, A. Finn, M. Mertig
- Fiber Grating-Assisted Investigation on Surface Plasmon Resonance of Fiber Cladding Modes, Proc.of Sensors IEEE, Taipeh, Taiwan, (2012) 862-865
T. Schuster, C.G. Schäffer, M. Mertig, M. Bönsch, D. Plettemeier
- Miniaturized Long-Period Fiber Grating Assisted Surface Plasmon Resonance Sensor, Journal of Lightwave Technology 30 (2012) 1003-1008
T. Schuster, R. Herschel, N. Neumann, C.G. Schäffer
(See online at https://doi.org/10.1109/JLT.2011.2166756) - Nanopatterning and Self-Assembly in Microsystems: An Overview, in Bio and Nano Packaging Techniques for Electron Devices, Eds: G. Gerlach, K.J. Wolter, Springer Berlin Heidelberg (2012) p. 179-209
M. Mertig, W.J. Fischer
- Entwicklung eines kompakten faseroptischen Oberflächenplasmonenresonanzsensors, tm - Technisches Messen 80 (2013) 221-228
T. Schuster, C.G. Schäffer, M. Mertig, D. Plettemeier
- Supercontinuum Generation in Naturally Occurring Glass Sponges Spicules. Advances Optical Materials, Vol 4 Issue 10, October 2016,
Pages 1608-1613
H. Ehrlich, A.R. Parker, Y.N. Kulchin, J. Schilling, Benjamin Köhler, U. Skrzypczak, P. Simon, M. Maldonado, H.M. Reiswig, M.V. Tsurkan, E. Brunner, S.S. Voznesenskiy, A.V. Bezverbny, S.S. Golik, I.G. Nagorny, D.V. Vyalikh, A.A. Makarova, S.L. Molodtsov,
(See online at https://doi.org/10.1002/adom.201600454)
