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 für 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. Datei-Upload durch TIB The aim of this research collaboration between industrial partners (D: Temicon, J: Tanaka and Furuno), and academic institutions from Japan (AIST and Kure) and Germany (Leibniz-IPHT) was to develop new innovative sensor nanostructures for bioanalytical applications using localized surface plasmon resonance (LSPR) (Leibniz-IPHT) and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) (AIST) based methods. These nanostructures were to be produced by combining a low-cost replication technique, nanoimprint lithography (NIL), with chemically synthesized plasmonic nanoparticles. NIL was to be used to produce nanoholes, which served as the basic structure for the targeted combination of individual nanoparticles to form a complex hybrid nanostructure with increased sensitivity. This increase is achieved by combining the particle plasmons, which leads to an extremely high local amplification of the electromagnetic field and thus the highest sensitivity in LSPR as in SERS. The Leibniz IPHT team focused on the design of the nanostructures, the synthesis of the nanoparticles, the simulation of the expected sensitivities, as well as their experimental determination, biofunctionalization and bioanalytical applications. The design of the hybrid nanostructures was based on theoretical simulations of the expected sensitivities. The number, shape and spacing of the nanoparticles played an important role. Various nanoparticle shapes were taken into account during synthesis, with methods for the production of gold prisms being developed and optimized in addition to spherical nanoparticles. A new method was developed for the production of the complex sensor structures, in which clean nanostructure arrays were produced through surface chemistry, targeted immobilization of the nanoparticles and lifting of the polymer structure. The sensitivities achieved were elaborately determined experimentally using layer-by-layer deposition (LbL) as a model system for many individual nanostructures. These measurements confirmed the increase in sensitivity of the hybrid nanostructures compared to simple nanoparticle sensors. In parallel, diagnostic measurements for DNA-based pathogen detection and inflammation biomarker detection were performed after biofunctionalization of the sensors. In addition to the work listed here, Leibniz IPHT and its partners (AIST, Furuno and Tanaka) designed and manufactured premasters for the NIL masks. Furuno has realized waveguide structure-based sensors; AIST has realized and tested SERS and EC-SERS sensors together with Tanaka. As part of the cooperation, AIST was also trained in nanoparticle synthesis and biofunctionalization by the Leibniz IPHT team. The expected high sensitivity of the innovative nanostructures was confirmed in the cooperation project. The cooperation demonstrated a successful transfer of knowledge from all partners to a new innovation in the field of LSPR sensor technology and SERS-based bioanalytics.