Sensorchip: Plasmonische Interferometrie ohne Laser

Treffen Lichtteilchen auf Oberflächenplasmonen, entstehen charakterische Interferenzmuster. Diesen Effekt nutzt die plasmonischen Interfero­metrie, um die Konzentration verschiedener Substanzen in Flüssigkeiten bestimmen zu können. Bisher war für diese Messung ein Laser nötig, um kohärente Lichtwellen mit den Plasmonen in Wechselwirkung treten zu lassen. Nun gelang es einer Arbeitsgruppe an der Brown University in Providence, die gewünschten Interferenz­muster auch mit einer konventionellen Lichtquelle zu erzeugen. Ihr Ansatz hat das Potenzial für kompakte Lab-on-Chip-Module, die sich für Blut- oder Wasser­analysen in ein handliches Gerät integrieren ließen.

„Der wichtigste Vorteil unserer Methode ist ein Selbst-Interferenz-Prozess“, sagt Gruppen­leiter Domenico Pacifici. Dieses Ziel erreichte er gemeinsam mit seinen Kollegen mit einem Areal filigraner Sensor­einheiten auf einem hauchdünnen Silberfilm. Mit fokussierten Ionen bohrten die Forscher kleine Löcher mit jeweils 300 Nanometer Durchmesser in die Metallschicht. Darauf deponierten sie eine fluores­zierende Schicht aus mit Chrom dotiertem Magnesiumoxid. Um jedes Loch ätzten sie mit lithografischen Methoden drei konzentrische Kreis­strukturen mit bis zu drei Mikrometern Durchmesser. Wurden diese Sensoren mit einer Flüssigkeit benetzt, konnten deren Bestand­teile über die Wechsel­wirkung des Fluoreszenzlichts mit den Plasmonen bestimmt werden.

Die Grundlage für diese Analyse bildeten spezifische Interferenz­muster. Dazu wurde die fluores­zierende Schicht mit einem nicht kohärenten, mono­chromatischen Licht angeregt (580 bis 600 Nanometer Wellenlänge). Danach versetzte das Fluoreszenz­licht (750 Nanometer Wellenlänge) in der ringförmig strukturierten Silber­ober­fläche die Elektronen in die für Plasmonen typische kollektive Bewegung. Die Plasmonen wanderten durch das Metall und beeinflussten ihrerseits wieder das Floureszenz­licht. Die Wechselwirkung führte zu Interferenz­mustern, die die Forscher mit einem Lichtsensor aufzeichnen konnten. Abhängig von den Bestand­teilen in der Flüssigkeit – testweise eine Mischung aus Iso­propanol und Wasser – veränderten sich die Interferenz­muster, boten also ein verlässliches Maß für die Isopropanol-Konzentration.

Mit diesem optischen Verfahren, das nun erstmals ohne Laserlicht auskam, konnten die Forscher so schneller genaue Analysen durchführen als mit herkömmlichen chemischen Methoden. Für ein ganzes Labor auf einem Chip können nun viele Löcher in eine Metall­ober­fläche gebohrt werden, umgeben von Ringen mit verschiedenen Durchmessern. Jede dieser Strukturen wäre dann geeignet, jeweils eine andere Substanz in einem Tropfen nachzuweisen. Pacifici und Kollegen wollen in weiteren Versuchen das für diese Analysen nötige Licht über Glas­faser­kabel auf den Sensorchip lenken. So könnten die Chips weiter schrumpfen und in Zukunft in ein handgroßes Analyse­gerät passen. Nutznießer wären nicht nur Ärzte für Blut­analysen, sondern auch Umwelt­forscher, die Wasserproben schnell auf Schadstoffe untersuchen könnten.

Jan Oliver Löfken

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