New platforms for optical biosensing

Physicochemical experimental techniques combined with the specificity of a biological recognition system have resulted in a variety of new analytical devices known as biosensors. Biosensors are under intensive development worldwide because they have many potential applications, e.g. in the fields of clinical diagnostics, food analysis, and environmental monitoring. Much effort is spent on the development of highly sensitive sensor platforms to study interactions on the molecular scale. In the first part, this thesis focuses on exploiting the biosensing application of nanoporous gold (NPG) membranes. NPG with randomly distributed nanopores (pore sizes less than 50 nm) will be discussed here. The NPG membrane shows unique plasmonic features, i.e. it supports both propagating and localized surface plasmon resonance modes (p SPR and l-SPR, respectively), both offering sensitive probing of the local refractive index variation on/in NPG. Surface refractive index sensors have an inherent advantage over fluorescence optical biosensors that require a chromophoric group or other luminescence label to transduce the binding event. In the second part, gold/silica composite inverse opals with macroporous structures were investigated with bio- or chemical sensing applications in mind. These samples combined the advantages of a larger available gold surface area with a regular and highly ordered grating structure. The signal of the plasmon was less noisy in these ordered substrate structures compared to the random pore structures of the NPG samples. In the third part of the thesis, surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy was applied to probe the protein-protein interaction of the calcium binding protein centrin with the heterotrimeric G-protein transducin on a newly designed sensor platform. SPR spectroscopy was intended to elucidate how the binding of centrin to transducin is regulated towards understanding centrin functions in photoreceptor cells.

Physikochemische instrumentelle Techniken, die mit der Spezifität eines biologischen Erkennungssystems kombiniert sind, resultierten in unzähligen neuen analytischen Geräten bekannt als Biosensoren. In die Entwicklung von Biosensoren wird weltweit viel investiert angesichts der zahlreichen potentiellen Anwendungen, wie z.B. in der klinischen Diagnostik, der Nahrungsmittelanalyse und zur Umweltüberwachung. Hochempfindliche Sensor-Plattfor-men werden benötigt, um Wechselwirkungen auf molekularer Ebene zu studieren. Im ersten Teil der Doktorarbeit werden nanoporöse Gold (NPG)-Membranen im bezug auf ihre biosensorische Anwendung untersucht. NPG Proben mit einer willkürlichen Porengrößenverteilung (Poren von weniger als 50 nm) werden hierzu erforscht. Die NPG Membranen zeigen einzigartige plasmonische Eigenschaften, d.h. propagierende und lokalisierte Oberflächenplasmonresonanzmodi (p-SPR bzw. l-SPR) können gleichzeitig angeregt werden. Beide Moden ermöglichen eine sensitive Detektion der lokalen Brechungsindexveränderung an/im nanoporösen Gold Substrat. Der große Vorteil der Brechungsindexsensoren im Vergleich zu fluoreszenz-optischen Biosensoren besteht darin, daß keine chromophore Gruppe oder Lumineszenzmarkierung zur Detektion benötigt wird. Im zweiten Teil der Arbeit wurden macroporöse, aus Gold und Silica zusammengesetzte inverse Opale auf ihre bio- bzw. chemischen Sensorfähigkeiten hin analysiert. Diese Substrate kombinieren den Vorzug einer großen verfügbaren Oberfläche mit einer hoch geordneten Gitterstruktur. Das Plasmonensignal ist bei einer geordneten Substratstruktur weniger verrauscht als es bei der willkürlichen Anordnung der Poren im NPG der Fall ist. Im dritten Teil der Doktorarbeit wird die Oberfächenplasmonenresonanz (SPR) Spektroskopie angewendet, um die Protein-Protein Wechselwirkung zwischen dem Calcium bindenden Protein Centrin und dem heterotrimeren G-Protein Transducin zu erforschen. Dazu wurde eine neue Sensorplattform entwickelt. Die SPR Spektroskopie sollte aufklären, wie die Bindung des Centrins zum Transducin reguliert wird und zum besseren Verständnis der Centrinfunktionen in den Photorezeptorzellen beitragen.