Ruhl, Alexander Stefan

German

Kölner UniversitätsPublikationsServer

Design of High-Throughput Ellipsometric Biosensors

KurzzusammenfassungDiese Arbeit beinhaltet Untersuchungen zur Entwicklung von ellipsometrischen Hoch-durchsatz Biosensoren. Sensoren dieses Typs werden heutzutage standardmäßig in dermedizinischen Diagnostik verwendet. Das Messprinzip beruht auf der Detektion vonSchichtdickenveränderungen wie sie bei einer Reaktion eines Analyten aus Lösung miteiner Zweiten, auf dem Sensor immobilisierten Spezies eintritt. Eine zeitabhängige Mes-sung erlaubt Rückschlüsse auf Bindungsaffinitäten. Da diese optische Methode nichtinva-siv ist, findet keine Beeinflussung der Biomoleküle statt. Um viele Reaktionen parallel undvergleichend messen zu können, besteht ein großer Bedarf an Hochdurchsatz-Methoden.Da diese Methoden sehr sensitiv auf Dicke und Brechungsindex reagieren, ist die Herstel-lung von Proben mit hoher Gleichmäßigkeit sehr aufwendig. Die Proben müssen in Formvon Monolagen aufgebracht werden, wobei minimale Abweichungen vom Ideal zu Varia-tionen in der Sensitivität der einzelnen Messpunkte führen. Aus diesem Grund wäre eineMethode wünschenswert, die es erlaubt die Sensitivität einzelner Messpunkte nachträglichzu optimieren, um vergleichende Messungen durchführen zu können.Der erste Teil dieser Arbeit diente dazu, Faktoren bezüglich des Probenauftrags und derMessmethode zu ermitteln, die einen Einfluss auf die Sensitivität haben.Unter Verwendung von Oberflächenplasmon Sensoren wurde eine Methode entwickelt, diees erlaubt, zueinander ausgerichtete Arrays von Substanzen auf Sensoren aufzubringen.Hierzu wurden spezielle Stempel angefertigt, die dazu verwendet werden, nacheinanderverschiedene Substanzen in Form einer Monolage zu drucken. Diese bedruckten Sensorenkönnen mittels abbildender Null Ellipsometrie untersucht werden, wobei gezeigt werdenkonnte, dass sich mit herkömmlichen Methoden Probleme in der Sensitivität bzw. derMessgeschwindigkeit ergeben. Um diese Nachteile zu umgehen, wurde eine Methodebasierend auf Off-null Ellipsometrie entwickelt, mit der es möglich ist, scharfe ellip-sometrische Bilder mit hoher Wiederholungsrate aufzunehmen. Zeitabhängige Reaktionenkönnen in Form von Bildsequenzen akquiriert werden, die im Nachhinein ausgewertetwerden. Aus diesen Informationen kann die Dickenveränderung aller Messpunkte in Formeiner Karte dargestellt werden. Hierbei stellte sich heraus, dass die bei der Off-null Ellip-sometrie erhaltenen Messgrößen besser geeignet sind, um Reaktionen mit inhomogenenund sehr großen Analyten zu vermessen, als die bei Null Ellipsometrie verwendeten. Mittels Vermessung geeigneter Reaktionen konnten Sensitivitätsprobleme erörtert werden,die auf den Messaufbau zurückgeführt werden können. Den Haupteinfluss hat der aus einerStrahlaufweitung resultierende kegelförmige Messstrahl, welcher zur Abbildung großerFlächen auf dem Sensor notwendig ist. Dies führt dazu, dass die Sensitivität der Messstel-len variiert da sie unter verschiedenen Winkeln beleuchtet werden.Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, die Sen-sitivität einzelner Messstellen zu optimieren. Hierzu eignen sich auf planaren Wellenleiternbasierende Sensoren, die Sensitivität gegenüber Veränderungen im Analysemedium sowieim Substrat zeigen. Diese Eigenschaft kann ausgenutzt werden, um einen Sensor zu ent-wickeln, der in der Stärke seiner Antwort auf ein Ereignis bzw. der Sensitivität beeinflusstwerden kann. Eine Maßnahme, dies zu erreichen, besteht darin, ein fotochromes - undsomit mit Licht manipulierbares - Element zu verwenden. Dieses Element enthält ein foto-chromes Protein, Bakteriorhodopsin (BR) oder Proteorhodopsin (PR), das in ein Sol-GelGlas, speziell ein Ormosil eingebettet ist. Hierzu wurde eine neuartige Methode entwickelt,die es durch eine Optimierung des Sol-Gel Prozesses ermöglicht, diese empfindlichen Pro-teine schonend in das Material einzubetten. Das resultierende Material weist hervorragendeoptische Eigenschaften sowie Stabilität auf. Es konnte gezeigt werden, dass die Sensitivitätvon Wellenleiter-Sensoren, welche auf die fotochrome Schicht aufgebracht wurden, durchLicht beeinflusst werden kann. Wurden diese Bauteile ortsaufgelöst mit variierender Lich-tintensität beleuchtet, so resultierte dies in einer lateralen Modulation der ellipsometrischenBilder. Die Stärke der Modulation entsprach dabei in etwa der Veränderung der Sensitiv-ität, die durch Beleuchtung mit dem divergierenden Messstrahl erzielt wird. Somit ist esmöglich, die Sensitivität des Sensors anzugleichen. Weiterhin konnte gezeigt werden, dassdieser Effekt dazu benutzt werden kann, Signalveränderungen, die durch Brechungsindex-variation im Analysemedium hervorgerufenen werden können, zu kompensieren. Dies istinsbesondere wichtig, um das System im sensitiven Bereich zu halten, wenn Reagenzien indie Messzelle gegeben werden.

Design of High-Throughput Ellipsometric Biosensors

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