Plasmonen als Sensoren (Plasmons as Sensors) Jan Becker Promotionsvortrag Mainz,

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1 Plasmonen als Sensoren (Plasmons as Sensors) Jan Becker Promotionsvortrag Mainz,

2 Plasmonen Eigenschaften Resonanz Wellenlänge Linienbreite (FWHM) Material Form Brechungsindex des umgebenden Mediums Intensität Silber Gold Intensität Intensität n=1.33 n= Wellenlänge Wavelength [nm] Wellenlänge Wavelength [nm] Wellenlänge [nm]

3 Optische Eigenschaften Umgebung: n = 1.33 n 1.5 Kugeln Stäbchen Streuintensität 250 nm SiO 2 60 nm Au 70 fache Volumen Intensität (Au) / Intensität (SiO 2 ) Durchmesser [nm] x10 5 Intensität (Au) / Intensität (SiO 2 ) Resonanz Wellenlänge [nm] Aspektverhältnis 3

4 Dunkelfeldmikroskopie CCD Gitter Spektrometer Echtfarben Foto Eingangsblende 10 µm Gestreutes Licht Objektiv TEM Beleuchtung Probenebene 100 nm Dunkelfeld-Kondensor 4

5 Auswahl eines Partikels Bisherige Strategie Zerlegung des Lichts Aufnahme des Spektrums CCD Nachteile: Manuelle Auswahl Zeitaufwendig Keine Statistik Counts Wellenlänge [nm] 5

6 Untersuchung mehrerer Partikel Eingangsspalt Wenige Partikel Idee: flexibler Eingangsspalt Optimale Partikelzahl 6

7 Verschiebbarer Eingangsspalt CCD Gitter Spektrometer 800 x 600 Pixel 32 x 32 µm pro Pixel LCD Funktionsweise eines einzelnen Pixels: Licht wird durchgelassen Licht wird blockiert 7

8 Die fastsps Methode fastsps: fast Single Particle Spectroscopy Nano Lett. (2007), 7, 1664 CCD Gitter Spektrometer LCD 8

9 Performance des Setups Schnelle & Automatische Untersuchung Gute Charakterisierung der Probe möglich 60 FWHM [nm] FWHM 30 λ res Resonanz Wellenlänge [nm] Kontinuierliche Überwachung mehrerer Partikel Statistik verfügbar Resonanz Wellenlänge [arb.u.] Zeit [min] 9

10 Anwendung 10

11 Membranen und Proteine Hydrophobes Ende Hydrophiler Kopf z.b. Biotin (Vitamin B 7 ) Kopfgruppen können gezielt funktionalisiert werden: Hat starke Affinität zum Protein Streptavidin Wasser Membran Glas Substrat 11

12 PlasmonenalsBiosensoren Nano Lett. (2008), 8, 1724 H 2 O (n=1.33) n=1.5 Resonanz Wellenlänge [nm] Lipide Lipids Buffer Puffer STV Triton λ= 3 nm λ= 4 nm λ= 1 nm Glas Substrat Zeit [min] 12

13 Statistik ist wichtig Counts nm Shift [nm] Membran Streptavidin Triton 0.6 λ=0.5 ±0.5 nm Shifts aufgrund von Statistik präzise bestimmbar Kumulative Wahrscheinlichkeit Δλ=2.9 ±0.3 nm Δλ=3.6 ±0.3 nm Shift [nm] 13

14 Unterscheidungvon Kopfgruppen Kumulative Wahrscheinlichkeit Δ=2.9±0.4 nm Δ=4.7±0.6 nm Shift durch Protein Anbindung [nm] Abstand zur Partikeloberfläche [nm] Verschiedene Kopfgruppen können unterschieden werden Wellenlängenshift [nm]

15 Verbesserung der Sensitivität Intensität Intensität Wellenlänge [nm] Theorie: Shift von 7 nm Wellenlänge [nm] Theorie: Shift von 2.5 nm Bisher Auswahl des verwendeten Aspektverhältnisses (nahezu) willkürlich 15

16 Optimales Stäbchen Wellenlängenshift [nm/riu] Resonanz Wellenlänge [nm] Ι sca λ Aspektverhältnis λ Plasmonics(2010), DOI: /s FWHM [nm] Ι sca FWHM λ Aspektverhältnis 8 Ι sca λ FWHM λ Resonanz Wellenlänge [nm] Aspektverhältnis Stäbchen mit Aspektverhältnis zw. 3 und 4 haben beste Sensitivität FOM

17 Möglichkeiten der Verbesserung I scat λ n=1.33 n=1.5 FWHM λ Erhöhung des Shifts Verringerung der Linienbreite I scat λ I scat λ n=1.33 n=1.5 n=1.33 n=1.5 FWHM λ λ 17

18 Au Nanorasseln +Ag + + [AuCl 4 ]- JACS (2009), 131, nm c) Kumulative Wahrscheinlichkeit S λ = 30nm/RIU λ Yu [nm/riu] [nm] Wellenlängenshift [nm/riu] Kumulative Wahrscheinlichkeit Figure of Merit Figure of Merit FOM Nanorasseln haben leider kleinere Sensitivität als Gold-Stäbchen 18

19 VerringerungderLinienbreite 60 Nano Lett. (2008), 8, 1719 Intensität Silber Gold FWHM [mev] Linewidth (nm) λ res FWHM Wellenlänge Wavelength [nm] Resonanz Resonance Wellenlänge wavelength λ res (nm) [nm] a µm 8 EDX-Messung 6 b Counts in Distanz[nm] Silberbeschichtung verringert Linienbreite des Spektrums Ag Au 19

20 Sensitivität von Stäbchen Wellenlängesh hift [nm/riu] Gold Stäbchen Stäbchen Resonanz Wellenlänge [nm] FOM nm Ag Schicht 1.5nm Ag Schicht Golstäbchen Resonanz Wellenlänge [nm] Silberbeschichtung verbessert die Sensitivität 20

21 Zusammenfassung Aufbau eines neuen Dunkelfeld-Spektroskopie Mikroskops (fastsps) Schnelle & automatische Untersuchung vieler Partikel Kontinuierliche Überwachung mehrerer Partikel Protein Nachweis mit Membran beschichteten Goldpartikeln Unterscheidung von verschiedenen Kopfgruppen Unterdrückung von nicht-spezifischen Bindungsereignissen Verbesserung der Sensitivität Stäbchen mit AR zw. 3 und 4 haben höchste Sensitivität Gold-Nano-Rasseln trotz größeren Shifts ungeeignet Silberbeschichtung der Gold Stäbchen erhöht die Sensitivität 21

22 Danksagung Carsten Sönnichsen I. Ament P. Boertz L. Carbone A. Henkel A. Jakab Y. Khalavka S. Pierrat C. Rosman O. Schubert R. Sharma I. Zins Kollaborationen: Finanzielle Unterstützung C. Baciu, Prof. A. Janshoff(Uni Mainz) A. Trügler, Prof. U. Hohenester (Uni Graz) Carl-Zeiss-Stiftung