Active Plasmonics mit Responsive Hydrogele

Das vorliegende Projekt umfasst die Forschunggebiete der Materialforschung und Nanophotonik. Der Schwerpunkt liegt hierbei in der Entwicklung von neuartigen Hybridmaterialien aus Metallen und responsiven Hydrogelen, welche durch einen äußeren stimulus zum schnellen Kollabieren bzw. Quellen angeregt werden können und mit biomolekularen Detektionsmechanismen funktionlisiert sind. Solche Materialien werden neue Wege zur Nutzung der Methoden und Techniken aus dem Bereich der Plasmonics eröffnen, welche bisher in den meisten Gebieten nicht effizient eingesetzt werden konnten: Bei den meisten plasmonischen Strukuturen und Komponenten handelt es sich um passive Elemente, welche nicht direkt und effizient aktiviert werden können. In dieser Arbeit wird die Entwicklung neuer regelbarer, integrierter, plasmonischer Elemente zur aktiven Anregung von Oberflächenplasmonwellen, sowie die aktiv geregelte, plasmonenangeregte Fluoreszenz fortgesetzt. Desweiteren werden responsive, mit biomolekularen Detektionsmechanismen funktionlisierte Hydrogele untersucht, um eine effizient Erkennung von Analyten auf metallischen Nanostrukturen mit plasmonischen Eigenschaften zu ermöglichen. Die erwarteten Ergebnisse werden neue Einsichten in Materialeigenschaften - und phänomene ermöglichen, welche zur Entwicklung von neuen biosensorischen Platformen mit hoher Sensitivität und deutlich reduzierter Analysezeiten von - für der medizinischen Diagnostik wichtigen - molekularen Indikatoren führen.

Bei Oberflächenplasmonen handelt es sich um Oberflächenwellen, auch evaneszente Wellen genannt, die durch die kollektive Anregung freier Elektronen in einer Metallschicht oder metallischen Nanopartikeln entstehen. Dabei ermöglicht die Verwendung von hochintensiven Oberflächenplasmonen eine sehr genaue Analyse von Biomolekülen unter Zuhilfenahme verschiedener optischer Anordnungen. Diese beinhalten die Änderungen des Brechungsindex, hervorgerufen durch intermolekulare Bindungswechselwirkungen, durch Plasmonen verstärkte optische Spektroskopie wie z.B. Fluoreszenz, Raman-Spektroskopie oder Infrarotspektroskopie. Auf dieser Basis konnten im Rahmen des ACTIPLAS Projekts neue plasmonische Materialien mit veränderbaren Eigenschaften entwickelt werden. Diese Materialien basieren auf responsiven Hydrogelen die auf einer entsprechenden Metalloberfläche immobilisiert wurden. Das quellen und kollabieren dieser Hydrogelschichten kann dabei reversibel durch einen externen Stimulus beeinflusst werden. Die damit einhergehenden Veränderungen der Hydrogelschichten gehen einher mit einer Veränderungen der Wellenlänge, bei der die resonante plasmonische Wechselwirkung auftritt und damit eine Veränderungen der Eigenschaften der Oberflächenplasmonen hervorruft. Diese Materialien können nachträglich mit bestimmten Molekülen modifiziert werden, die zur Identifizierung von Biomolekülen in einem flüssigen Medium verwendet werden können. Die Erkennung spezifischer Biomoleküle auf einer Oberfläche unter Zuhilfenahme einer Hydrogelschicht wurde realisiert durch die Verwendung von oberflächenplasmonen-verstärkter Fluoreszenz mit einem Detektionslimit im femtomolaren Bereich. Zusätzlich wurden im Rahmen dieses Projekts neue responsive Metall-Hydrogel Hybridmaterialien entwickelt und untersucht. Copolymere basierend auf N-isopropylacrylamid oder 2-Oxazolinen wurden synthetisiert und deren thermoresponsive Eigenschaften untersucht. Diese Polymere wurden zur Herstellung von dünnen Filmen verwendet die durch neu entwickelte Laser-Interferenzlithographie Varianten und Nanoimprint-Lithographie strukturiert wurden. Neue anpassungsfähige Materialien aus einer Kombination von stark gequollenen responsiven Hydrogelen und metallischen Nanostrukturen wurden ebenfalls entwickelt. Diese beinhalten gitterartige responsive Hydrogelstrukturen die reversibel gelöscht und vollständig wiederhergestellt werden können, Beugungsstrukturen die eine verbesserte Aufnahme von Fluoreszenzlicht von der Sensorenoberfläche ermöglichen, sowie die Herstellung von freistehenden Membranen mit Reihen von Nanolöchern die durch eine Hydrogelschicht geöffnet und wieder geschlossen werden können. Alle diese neuen Strukturen wurden für die Sensorik optimiert und in einem neuen, auf Oberflächenplasmonen basierenden Biosensorkonzepte zur Anwendung gebracht. Die Leistungsfähigkeit dieser neuen Biosensorkonzepte wurde durch die Detektion geringfügiger Mengen von Biomolekülen demonstriert, die als Biomarker für Krankheiten dienen können. Insgesamt unterstützte dieses Projekt zwei Promotions- und eine Masterarbeit. Die Ergebnisse dieses Projekts resultierten in 12 Publikationen die in verschiedenen Fachzeitschriften veröffentlicht wurden, 18 Konferenzbeiträge und 4 Buchkapitel.