PlasmonBioSense - Entwicklung innovativer plasmonische Materialien basierend auf Nanogap-Eigenschaften für die ultrasensitive und kostengünstige SERS/LSPR-Biosensorik für biomedizinischen Anwendungen; Teilvorhaben LSPR-Sensorik: Design, Herstellung und bioanalytische Testung neuartiger plasmonischer Materialien auf der Basis von Nanoimprint-Lithographie-Strukturen und Nanopartikekln für ultrasensitive und reproduzierbare LSPR-Sensorik

Abstract

Ziel dieser Forschungskooperation zwischen je einem oder zwei Industriepartner (D: Temicon, J: Tanaka und Furuno), und akademischen Institutionen aus Japan (AIST und Kure) und Deutschland (Leibniz-IPHT) war die Entwicklung neuer innovativer Sensornanostrukturen für bioanalytische Anwendungen mittels lokalisierten Oberflächenplasmonen Resonanz (LSPR) (Leibniz-IPHT) und Oberflächen-verstärkte Raman Spektroskopie (SERS) (AIST) basierte Methoden. Diese Nanostrukturen sollten durch die Kombination einer kostengünstigen Replikationstechnik, der Nanoimprint-Lithographie (NIL), mit chemisch synthetisierten plasmonischen Nanopartikeln hergestellt werden. Mittels NIL sollten Nanoholes erzeugt werden, die als Grundstruktur für die gezielte Kombination einzelner Nanopartikel zu einer komplexen Hybrid-Nanostruktur mit erhöhter Sensitivität dienten. Diese Steigerung wird durch die Kombination der Partikelplasmonen erreicht, was zu einem eine extrem hohe lokale Verstärkung des elektromagnetischen Feldes und damit höchste Sensitivität in LSPR wie in SERS führt. Das Leibniz-IPHT-Team konzentrierte sich dabei auf das Design der Nanostrukturen, die Synthese der Nanopartikel, die Simulation der zu erwartenden Sensitivitäten, sowie deren experimentelle Bestimmung, Biofunktionalisierung und bioanalytische Anwendungen. Das Design der Hybrid-Nanostrukturen erfolgte auf der Basis theoretischer Simulationen der zu erwartenden Sensitivitäten. Dabei spielten Anzahl, Form und Abstand der Nanopartikel eine wichtige Rolle. Diese dienten als Grundlage für das Sensordesign. Bei der Synthese wurden verschiedene Nanopartikelformen berücksichtigt, wobei neben sphärischen Nanopartikeln auch Methoden zur Herstellung von Goldprismen entwickelt und optimiert wurden. Für die Herstellung der komplexen Sensorstrukturen wurde eine neue Methode entwickelt, bei der durch Oberflächenchemie, gezielte Immobilisierung der Nanopartikel und Lifting der Polymerstruktur saubere Nanostrukturarrays erzeugt wurden. Die erzielten Empfindlichkeiten wurden experimentell aufwendig mit der Layer-by-Layer-Abscheidung (LbL) als Modellsystem für viele einzelne Nanostrukturen bestimmt. Diese Messungen bestätigten die Steigerung der Empfindlichkeiten der Hybrid-Nanostrukturen gegenüber einfache Nanopartikelsensoren. Parallel dazu wurden nach Biofunktionalisierung der Sensoren diagnostische Messungen zur DNA-basierten Pathogennachweis und Biomarker Detektion durchgeführt. Neben den hier aufgeführten Arbeiten wurden am Leibniz-IPHT mit den Partnern (AIST, Furuno und Tanaka) Prämaster für die NIL-Masken entworfen und hergestellt. Furuno hat dabei Wellenleiterstrukturen-basierte Sensoren realisiert, AIST hat zusammen mit Tanaka SERS- und EC-SERS-Sensoren realisiert und getestet. Im Rahmen der Kooperation wurde AIST auch in der Nanopartikelsynthese und Biofunktionalisierung durch das Leibniz-IPHT-Team geschult. Im Kooperationsprojekt konnte die erwartete hohe Sensitivität der innovativen Nanostrukturen bestätigt werden. Die Kooperation zeigte einen erfolgreichen Wissenstransfer aller Partner zu einer neuen Innovation im Bereich der LSPR-Sensorik und SERS-basierten Bioanalytik.