Plattformtechnologie für die mobile, markerfreie Proteindetektion

Wir präsentieren eine Plattformtechnologie zur mobilen, markerfreien Detektion von mehreren Protei-nen gleichzeitig. Ein photonischer Kristall, der mit Liganden lokal funktionalisiert ist, dient hier als Sen-sor. Über ein kompaktes, Kamera-basiertes Messsystem wird die Proteinanbindung an die Sensoroberfläche in ein Intensitätssignal umgewandelt, über dessen Amplitude die Proteinkonzentration bestimmt werden kann. Um die Detektionsgrenze dieser Technologie weiter zu verbessern, werden hier photonische Kristalle mit einer multiperiodischen und aperiodischen Gitterstruktur simulativ und expe-rimentell untersucht. Dafür werden die Gesamtempfindlichkeit und die Resonanzgüte jeder Struktur bestimmt und mit der bisher verwendeten monoperiodischen Struktur verglichen. Es konnte festge-stellt werde, dass die Resonanzgüte von mono- über multi- bis aperiodisch sich deutlich verbessert. Eine Steigerung der Gesamtempfindlichkeit konnte nicht festgestellt werden. Jedoch konnte anhand von Analysen der elektrischen Feldverteilung innerhalb der verschiedenen Strukturen beobachtet werden, dass die Modenausbreitungen in den aperiodischen Strukturen stark lokalisiert wird und die elektrische Feldstärke in diesen „Hot-Spots“ deutlich über der mittleren Feldstärke, die eine flächige Funktionalisierung repräsentiert, liegt. Diese lokale Resonanzausbildung konnte zudem bereits in ersten experimentellen Untersuchungen bestätigt werden

Mobile Biosensorik auf Basis funktionalisierter, nanostrukturierter, optischer Wellenleiter

In dieser Arbeit wird ein kompakter Biosensor zur mobilen, markerfreien Detektion von mehreren Proteinen präsentiert. Ein photonischer Kristall, der mit Rezeptoren lokal funktionalisiert ist, dient hier als optischer Signalumwandler. Dafür wurden zwei Herstellungsprozesse zur Vervielfältigung von photonischen Kristallen und zwei Prozesse zur lokalen und kovalenten Anbindung von Rezeptoren an die Kristalloberfläche entwickelt. Zur Auslesung dieses photonischen Kristall-Sensors wurden verschiedene intensitätsbasierte Messsysteme in Form von zwei Smartphone-Adaptern und einem Kamera-basierten Messgerät evaluiert. Diese Messsysteme wandeln die Proteinanbindung an die Sensoroberfläche in ein Intensitätssignal um, über dessen Amplitude die Proteinkonzentration bestimmt werden kann. Mit dem Kamera-basierten Messgerät konnte die parallele und spezifische Anbindung der drei Proteine CD40 Ligand Antikörper (13.5 μg/ml), EGF Antikörper (13.5 μg/ml) und Streptavidin (30 μg/ml) anhand von sechs Rezeptorstellen nachgewiesen werden. In einem weiteren Experiment ist die detektierbare Konzentration des Proteins CD40 Ligand Antikörper auf 1,35 μg/ml reduziert worden. Um die Detektionsgrenze weiter zu verbessern, werden hier photonische Kristalle mit einer multi- und aperiodischen Gitterstruktur simulativ und experimentell untersucht.Zusätzlich wurde ein Testchip zur Filterung von Vollblut und für die bildgebende, markerfreie Detektion von mehreren Risikomarkern entworfen. Dieser beinhaltet Kapillarkanäle zum Transport des Blutes, eine Filtermembran und eine Sensorkammer, in der der photonische Kristall-Sensor eingeklebt wird. Die Eigenschaften des Testchips wurden evaluiert und die Assoziation von 500 nmol/l Biotin in Puffer an zwei Bindungsstellen und in Vollblut an einer Bindungsstelle kann im Intensitätssignal beobachtet werden. Abschließend wurden mono- und zweiperiodische Gitter in nanostruktierten Wellenleitern zur Steigerung des Fluoreszenzsignals für die Marker-basierte Biosensorik experimentell und theoretisch betrachtet.In this thesis a compact biosensor for mobile, label-free detection of multiple proteins is presented. A photonic crystal functionalized with specific receptors forms the optical transducer. Two fabrication processes to duplicate photonic crystals as well as two processes for coupling the receptors covalently and locally to the crystal surface are developed. Different intensity based measuring systems are evaluated in the form of two smartphone adapters and a camera-based measuring instrument to read-out the photonic crystal sensor. These measuring systems transform the binding kinetics of the protein into a detectable intensity signal, whose amplitudes can be used to determine protein concentration. With the compact, camera-based measuring instrument the parallel and specific association of the three proteins CD40 ligand antibody (13.5 μg/ml), EGF antibody (13.5 μg/ml) and streptavidin (30 μg/ml) could be observed on six binding positions. In a further experiment the detectable protein concentration is reduced down to 1.35 μg/ml for CD40 ligand antibody. To improve the limit of detection photonic crystals with multiperiodic and aperiodic grating structures are investigated in simulation and in experiment. Additionally, a test chip for human blood filtration and imaging label-free detection of multiple biomarkers is designed. The chip contains capillary channels for blood transportation, a filter membrane and a cavity open on one side for sensor bonding. The performance of the test chip is evaluated and the accociaten of 500 nmol/l biotin in buffer on two receptor positions and in human blood on one receptor position is observed in the intensity signal. Concluding monoperiodic and twoperiodic gratings in nanostructured waveguides are investigated in experiment and in simulation to enhance the fluorescence signal of labelled biosensors

Optical waveguides with compound multiperiodic grating nanostructures for refractive index sensing

The spectral characteristics and refractive index sensitivity of compound multiperiodic grating waveguides are investigated in theory and experiment. Compound gratings are formed by superposition of two or more monoperiodic gratings. Compared to monoperiodic photonic crystal waveguides, compound grating waveguides offer more degrees of design freedom by choice of component grating periods and duty cycles. Refractive index sensing is achieved by evaluating the wavelength or intensity of guided mode resonances in the reflection spectrum. We designed, fabricated, and characterized 24 different compound multiperiodic nanostructured waveguides for refractive index sensing. Simulations are carried out with the Rigorous Coupled Wave Algorithm (RCWA). The resulting spectra, resonance sensitivities, and quality factors are compared to monoperiodic as well as to three selected aperiodic nanostructures (Rudin-Shapiro, Fibonacci, and Thue-Morse). The refractive index sensitivity of the TE resonances is similar for all types of investigated nanostructures. For the TM resonances the compound multiperiodic nanostructures exhibit higher sensitivity values compared to the monoperiodic nanostructure and similar values as the aperiodic nanostructures. No significant influence of the compound grating duty cycles on the sensitivity is observed

Handheld imaging photonic crystal biosensor for multiplexed, label-free protein detection.

We present a handheld biosensor system for the label-free and specific multiplexed detection of several biomarkers employing a spectrometer-free imaging measurement system. A photonic crystal surface functionalized with multiple specific ligands forms the optical transducer. The photonic crystal slab is fabricated on a glass substrate by replicating a periodic grating master stamp with a period of 370 nm into a photoresist via nanoimprint lithography and deposition of a 70-nm titanium dioxide layer. Capture molecules are coupled covalently and drop-wise to the photonic crystal surface. With a simple camera and imaging optics the surface-normal transmission is detected. In the transmission spectrum guided-mode resonances are observed that shift due to protein binding. This shift is observed as an intensity change in the green color channel of the camera. Non-functionalized image sections are used for continuous elimination of background drift. In a first experiment we demonstrate the specific and time-resolved detection of 90.0 nm CD40 ligand antibody, 90.0 nM EGF antibody, and 500 nM streptavidin in parallel on one sensor chip. In a second experiment, aptamers with two different spacer lengths are used as receptor. The binding kinetics with association and dissociation of 250 nM thrombin and regeneration of the sensor surface with acidic tris-HCl-buffer (pH 5.0) is presented for two measurement cycles