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Plasmonische Biosensorik

Metallische Nanostrukturen können effektiv als optischer Wandler für biomolekulare Sensoren eingesetzt werden. Wir entwickelten eine Methode, um zur Detektion eingesetzte nanostrukturierte Chips sehr flexibel und kostengünstig mittels Piezo-Dosierung chemisch hergestellter kolloidaler Nanopartikel herstellen zu können. Dieses Verfahren bringt die plasmonische Technologie dem praktischen Einsatz einen Schritt näher.

Mikroskopische Dunkelfeldaufnahmen von piezo-dosierten Spots, die jeweils Tausende von metallischen Nanopartikeln enthalten. (a) Jede Spalte hat Goldnanopartikel unterschiedlicher Größe. b) Demonstration der plasmonischen Wirkung der Spots. Die Farbe ist abhängig vom Einbettungsmedium um die Nanopartikel.

Von O. Stranik // D. Zopf // W. Fritzsche // A. Csaki 

Eine elegante Art der Biomoleküldetektion basiert auf dem Effekt der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz in metallischen Nanopartikeln. Metallische Nanopartikel besitzen die angenehme Eigenschaft, zu einer starken Interaktion mit Licht fähig zu sein. Sie wirken wie kleine Nano-Resonatoren, die das einfallende Licht bei bestimmten Wellenlängen streuen bzw. absorbieren. Darüber hinaus sind diese Nano-Resonatoren sehr empfindlich gegenüber ihrer lokalen Umgebung. Daher kann die Adsorption von Molekülen allein durch die spektroskopische Analyse der optischen Reaktion des Nanopartikels verfolgt werden. Das Schlüssel-Schloss-Prinzip (d.h. die Anlagerung komplementärer Moleküle an den Nanopartikeln) gewährleistet die molekulare Spezifität des Nachweises. Ein solches allgemeines Nachweisprinzip kann für viele verschiedene relevante Biomarker wie DNA, Proteine und Medikamente angewendet werden.Die Entwicklung plasmonischer Biosensoren ist in den letzten Jahren rasant vorangeschritten und hat sich weiter beschleunigt. Wir haben diesen Fortschritt in der jüngsten Veröffentlichung [1] kritisch hinterfragt. Dabei wurde das vielversprechendste Konzept identifiziert sowie eine Abschätzung der zukünftigen Fortschritte vorgenommen. Das große kommerzielle Potenzial für plasmonische Sensoren wird durch die Tatsache unterstrichen, dass es bereits mehr als zehn Unternehmen gibt, die Produkte auf Basis dieser neuen Technologie anbieten. Die Anwendungen erstrecken sich von Krankheitserreger- und Krebsdiagnostik über Lebensmittel-/Umweltanalytik bis hin zu Autoimmunerkrankungen und Immundiagnostik. Diese Vielfalt in der Anwendung ist nur durch die Entwicklung von Techniken zur Bindung verschiedener Rezeptoren wie Antikörper, Aptamere, Oligonukleotide, Bakteriophagen, Peptide und Saccharide auf der Oberfläche der Partikel möglich.Um jedoch im Bereich der plasmonischen Biosensorik kommerziell erfolgreich zu sein, müssen hochwertige plasmonische Einwegsubstrate hergestellt werden. Bisher sind Top-Down-Ansätze zur Herstellung nanostrukturierter Oberflächen noch relativ teuer. Der alternative Weg, die chemische Synthese von Nanostrukturen, ist deutlich kostengünstiger, produziert die Nanostrukturen aber meist in einer Suspension. Ein schwieriger Schritt in diesem Verfahren ist die kontrollierte Abscheidung der kolloidalen Nanopartikel auf einem Substrat. Wir konnten in unserer jüngsten Veröffentlichung [2] zeigen, dass dies durch Piezo-Dosiertechnik möglich ist und dass auf diese Weise hergestellte nanostrukturierte Substrate für die plasmonische Sensorik geeignet sind.Die Piezo-Dosiertechnik ist eine schnelle und flexible Methode zur hochpräzisen Abscheidung von Sub-Nanoliter-Volumina von Lösungen auf Substraten und wird üblicherweise zur Herstellung von Mikroarrays von Proteinen oder anderen relevanten Molekülen eingesetzt. Wir verwendeten diese Technik, um verschiedene Arten von Nanopartikel-Lösungen zu dosieren und kombinierten sie mit einer chemischen Oberflächenmodifikation, um eine homogene Bindung der Nanopartikel auf dem Substrat zu erreichen. Es ist sehr wichtig, eine Aggregation der Partikel auf dem Substrat während des Trocknungsprozesses der Tröpfchen zu vermeiden. Andernfalls würde die plasmonische Reaktion der Partikel verändert, was eine Verwendung bei der plasmonischen Detektion verhindert. Nach der Optimierung mehrerer Parameter konnten wir Muster von Spots mit unterschiedlichen plasmonischen Eigenschaften sehr reproduzierbar erstellen. Abbildung 1a zeigt eine mikroskopische Dunkelfeldaufnahme einer Anordnung von Spots mit einem Durchmesser von 120 µm, die aus Tausenden von Goldnanopartikeln bestehen, wobei jede Spalte Partikel unterschiedlicher Größe aufweist. Die Spots weisen eine hohe Reproduzierbarkeit auf. Ihre Farbe wird durch die plasmonischen Eigenschaften der einzelnen abgeschiedenen Partikel bestimmt. Abbildung 2b zeigt das Sensorprinzip solcher gefertigten plasmonischen Spots. Reine Nanopartikel streuen grüne Farbe. Werden sie jedoch von einer Schicht mit höherem Brechungsindex (Öl) bedeckt, ändert sich die Farbe zu gelb. Wir haben solche nanostrukturierten Mikroarrays hyperspektral abgebildet und konnten zeigen, dass sie eine sehr geringe spektrale Variation aufweisen (Standardabweichung kleiner als 1 nm) und dass jeder einzelne Spot als unabhängiger Sensor verwendet werden kann. Die Fähigkeit dieser Arrays zur Bio-Detektion wurde erfolgreich anhand kleiner Proteine demonstriert.

Gefördert von: EU EraNET/ BMBF RA-Detekt, RAPID

Zugehörige Publikationen

Csáki, A. et al. Localized surface plasmon resonance based biosensing. Expert Review of Molecular Diagnostics 2018, 1-18.

Pittner, A. et al. Fabrication of micro-patterned substrates for plasmonic sensing by piezo-dispensing of colloidal nanoparticles. Analytical and Bioanalytical Chemistry (2019). doi:10.1007/s00216-019-01587-7

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