Plasmonic nanoparticles as sensors : a novel approach to quantify adsorption and diffusion kinetics

Biosensors find wide application in clinical diagnostics, bioprocess control and environmental monitoring. They should not only show high specificity and reproducibility but also a high sensitivity and stability of the signal. Therefore, I introduce a novel sensor technology based on plasmonic nanoparticles which overcomes both of these limitations. Plasmonic nanoparticles exhibit strong absorption and scattering in the visible and near-infrared spectral range. The plasmon resonance, the collective coherent oscillation mode of the conduction band electrons against the positively charged ionic lattice, is sensitive to the local environment of the particle. I monitor these changes in the resonance wavelength by a new dark-field spectroscopy technique. Due to a strong light source and a highly sensitive detector a temporal resolution in the microsecond regime is possible in combination with a high spectral stability. This opens a window to investigate dynamics on the molecular level and to gain knowledge about fundamental biological processes.rnFirst, I investigate adsorption at the non-equilibrium as well as at the equilibrium state. I show the temporal evolution of single adsorption events of fibrinogen on the surface of the sensor on a millisecond timescale. Fibrinogen is a blood plasma protein with a unique shape that plays a central role in blood coagulation and is always involved in cell-biomaterial interactions. Further, I monitor equilibrium coverage fluctuations of sodium dodecyl sulfate and demonstrate a new approach to quantify the characteristic rate constants which is independent of mass transfer interference and long term drifts of the measured signal. This method has been investigated theoretically by Monte-Carlo simulations but so far there has been no sensor technology with a sufficient signal-to-noise ratio.rnSecond, I apply plasmonic nanoparticles as sensors for the determination of diffusion coefficients. Thereby, the sensing volume of a single, immobilized nanorod is used as detection volume. When a diffusing particle enters the detection volume a shift in the resonance wavelength is introduced. As no labeling of the analyte is necessary the hydrodynamic radius and thus the diffusion properties are not altered and can be studied in their natural form. In comparison to the conventional Fluorescence Correlation Spectroscopy technique a volume reduction by a factor of 5000-10000 is reached.

Biosensoren finden breite Anwendung, vor allem in der klinischen Diagnostik, in der Bioprozesskontrolle sowie in der Umweltüberwachung. Sie sollen dabei nicht nur eine hohe Spezifität und Reproduzierbarkeit, sondern auch eine hohe Sensitivität und Stabilität des Signals aufweisen. Ich stelle daher eine neue Sensortechnologie basierend auf plasmonischen Nanopartikeln vor, die beide dieser Limitationen überwindet. Plasmonische Nanopartikel zeigen starke Absorption und Streuung im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich. Die Plasmonenresonanz, die kollektive, kohärente Oszillation der Leitungsbandelektronen der Nanopartikel gegen das positiv geladene Ionengitter, ist sensitiv zu ihrer lokalen Umgebung, was die Grundlage für ihre Anwendung als Sensor bildet. Diese Änderungen in der Resonanzwellenlänge habe ich mit einer neuen Technik der Dunkelfeldspektroskopie gemessen. Dank einer starken Lichtquelle sowie eines sehr sensitiven Detektors sind Messungen mit einer zeitlichen Auflösung im Mikrosekundenbereich in Kombination mit einer hohen spektralen Stabilität möglich. Dies ermöglicht nun die Untersuchung von Dynamiken auf dem molekularen Level sowie das Erlangen von Wissen über grundlegende biologische Prozesse.rnZunächst habe ich Adsorption im Nicht-Gleichgewichts- als auch im Gleichgewichtszustand untersucht. Ich zeige die zeitliche Auflösung von einzelnen Adsorptionsevents des Proteins Fibrinogen an der Goldoberfläche des Sensors. Fibrinogen ist ein Blutplasmaprotein mit einer einzigartigen Form, welches außerdem eine zentrale Rolle in der Blutkoagulation sowie bei Zell- Biomaterial- Wechselwirkungen spielt. Weiterhin messe ich Belegungsdichtefluktuationen im Gleichgewicht von Natriumlaurylsulfat und demonstriere dabei eine neue Methode zur Quantifizierung der charakteristischen Ratenkonstanten, die nicht durch den störenden Einfluss von Massentransport limitiert ist. Dieser Ansatz wurde bereits theoretisch mithilfe von Monte-Carlo Simulationen untersucht, jedoch gab es bisher keine Sensortechnologie mit einem ausreichenden Signal-zu-Rausch-Verhältnis. rnAußerdem wende ich diese Sensortechnologie für die Bestimmung von Diffusionskoeffizienten an. Das sensitive Volumen eines einzelnen, auf eine Glasoberfläche fixierten Nanostäbchens wird dabei als Detektionsvolumen verwendet. Wenn ein Analyt in das Detektionsvolumen eindringt, wird eine Verschiebung der Resonanzwellenlänge induziert. Da bei dieser Methode keine Markierung des Analyten notwendig ist, werden der hydrodynamische Radius und damit auch seine Diffusionseigenschaften nicht verfälscht. Im Vergleich zur konventionellen Methode der Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie weist diese Methode ein um den Faktor 500-1000 kleineres Detektionsvolumen auf.