Elektronen für Sensoren synchronisieren
Die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) ist ein relativ neues Werkzeug der Biosensorik, das die Messung biomolekularer Wechselwirkungen in Echtzeit ermöglicht, ohne dass der Einsatz von Labels oder Farbstoffen erforderlich wäre. Der Begriff der Resonanz bezieht sich auf die synchronisierten Schwingungen freier Elektronen (Oberflächenplasmonen) in ihrer natürlichen Oszillationsfrequenz, wenn sie durch Licht mit der gleichen (natürlichen) Resonanzfrequenz angeregt werden. Diese Resonanz resultiert in der Absorption von Licht. Durch eine Veränderung des Einfallswinkels und anderer Parameter ergeben sich wichtige Informationen über Veränderungen im Molekül, wie sie etwa auftreten, wenn sich ein Molekül an ein anderes bindet. Eine Manipulation von Atomen und Molekülen ermöglicht die Steuerung der Nanostruktur von Materialien, die sich in winzigsten Dimensionen abspielt. Die Wissenschaftler bauen auf dem Konzept der Oberflächenplasmonenresonanz, einem optischen Phänomen, auf und kombinieren magnetooptische (MO) und Plasmonikelemente. Die neuartigen Materialien mit maßgeschneiderten Funktionalitäten im Nanobereich werden eine aktive Abstimmung der optischen Reaktion mit einem angelegten Magnetfeld ermöglichen, was mit konventionellen Materialien bislang nicht möglich war. Erst die EU-Finanzmittel im Rahmen des Nanomagma-Projekts ("Nanostructured active magneto-plasmonic materials") verschafften den Wissenschaftlern die Chance, die Kopplung der magnetischen Eigenschaften mit der Plasmonik und optischen Merkmalen zu untersuchen. Um die Forschungsziele zu erreichen, entwickelte das Konsortium theoretische Werkzeuge zur magnetoplasmonischen (MP) Modellierung sowie ein optisches Mikroskop, das in Magnetfeldern arbeiten kann. Die Forscher stellten neue magnetoplasmonische Strukturen mit deutlich verbesserter magnetooptischer Aktivität in Kombination mit induzierter Oberflächenplasmonenresonanz her. Mit zunehmend besserem Verständnis dieser Kopplung konnten die Erfinder zwei neue Oberflächenplasmonenresonanz-Biosensoren mit magnetooptischen Elementen entwerfen und entwickeln. Die Prototypen des Oberflächen-Magnetoplasmonenresonanz-Biosensors (Surface Magneto-Plasmon Resonance, SMPR) zeigten eine bessere Aktivität als Gas- und Biosensor. Die Wissenschaftler ermittelten überdies Anwendungen bei Telekommunikationswellenlängen für integrierte Photonikschaltkreise. Die Sensoren werden zweifellos bedeutende Auswirkungen auf die Bereiche Lebensmittelsicherheit und Gesundheit haben. Die tragbaren Einheiten ermöglichen eine kostengünstige und schnelle vor Ort erfolgende Beurteilung der Qualität von Lebensmitteln vor dem Kochen, beispielsweise in Schulen und Krankenhäusern. Die Photonikanwendungen werden sich als besonders relevant für die kompakte integrierte Elektronik erweisen, da in den kommenden Jahren durchaus ein Verschmelzungsprozess mit Mikroelektronik auf Basis konventioneller komplementärer Metalloxidhalbleiter (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS) zu erwarten ist. Die letzte Projektphase gilt verschiedenen Maßnahmen zur Verbreitung der Ergebnisse.
