Authors:	Nicol, Andreas Heinz
Title:	Grating coupled surface plasmon enhanced fluorescence spectroscopy
Online publication date:	23-Jan-2006
Year of first publication:	2006
Language:	english
Abstract:	Over the last three decades, sensors based on the phenomenon of surface plasmon resonance have proven particularly suitable for real time thin film characterization, gas detection, biomolecular interaction examination and to supplement electrochemical methods. Systems based on prism coupling have been combined with fluorescence detection under the name of surface plasmon fluorescence spectroscopy to increase sensitivity even further. Alternatively, metal gratings can be employed to match photons for plasmon resonance. The real time monitoring of binding reactions not yet been reported in the combination of fluorescence detection and grating coupling. Grating-based systems promise more competitive products, because of reduced operating costs, and offer benefits for device engineering. This thesis is comprised of a comprehensive study of the suitability of grating coupling for fluorescence based analyte detection. Fundamental properties of grating coupled surface plasmon fluorescence spectroscopy are described, as well as issues related to the commercial realization of the method. Several new experimental techniques are introduced and demonstrated in order to optimize performance in certain areas and improve upon capabilities in respect to prism-based systems. Holographically fabricated gratings are characterized by atomic force microscopy and optical methods, aided by simulations and profile parameters responsible for efficient coupling are analyzed. The directional emission of fluorophores immobilized on a grating surface is studied in detail, including the magnitude and geometry of the fluorescence emission pattern for different grating constants and polarizations. Additionally, the separation between the minimum of the reflected intensity and the maximum fluorescence excitation position is examined. One of the key requirements for the commercial feasibility of grating coupling is the cheap and faithful mass production of disposable samples from a given master grating. The replication of gratings is demonstrated by a simple hot embossing method with good reproducibility to address this matter. The in-situ fluorescence detection of analyte immobilization and affinity measurements using grating coupling are described for the first time. The physical factors related to the sensitivity of the technique are assessed and the lower limit of detection of the technique is determined for an exemplary assay. Particular attention is paid to the contribution of bulk fluorophores to the total signal in terms of magnitude and polarization of incident and emitted light. Emission from the bulk can be a limiting factor for experiments with certain assay formats. For that reason, a novel optical method, based on the modulation of both polarization and intensity of the incident beam, is introduced and demonstrated to be capable of eliminating this contribution. Sensoren, die auf dem Phänomen der Oberflächenplasmonenresonanz basieren, haben in den letzten drei Jahrzehnten ihre Eignung für die Charakterisierung dünner Filme in Echtzeit, für die Detektion von Gasen, für die Untersuchung biomolekularer Wechselwirkungen und zur Ergänzung elektrochemischer Methoden bewiesen. Systeme auf der Grundlage der Prismenkopplung sind mit Fluoreszenzdetektion unter dem Namen Oberflächenplasmonen-Fluoreszenzspektroskopie kombiniert worden, um noch höhere Nachweisempfindlichkeiten zu erreichen. Alternativ können auch metallische Gitterstrukturen eingesetzt werden, um Photonen an Plasmonenresonanzen zu koppeln. Die Detektion von Bindungsreaktionen in Echtzeit ist in der Kombination von Fluoreszenzdetektion und Gitterkopplung noch nicht beschrieben worden. Systeme auf Gitterbasis versprechen wettbewerbsfähigere Sensorprodukte auf Grund reduzierter Betriebskosten und erlauben dem Konstrukteur größere Gestaltungsfreiheit. Diese Arbeit besteht aus einer umfangreichen Untersuchung der Eignung der Gitterkopplung für den Nachweis von fluoreszierenden Analytmolekülen. Sowohl grundlegende Eigenschaften der gittergekoppelten Oberflächenplasmonen-Fluoreszenzspektroskopie, als auch Fragestellungen, die aus der Anwendung heraus motiviert sind, werden beschrieben. Mehrere neue experimentelle Techniken werden vorgestellt und demonstriert, um die Methode in bestimmten Bereichen zu optimieren und Verbesserungen hinsichtlich Systemen auf Prismenbasis zu erreichen. Holographisch gefertigte Gitter werden mittels Rasterkraft-Mikroskopie und optischen Methoden, unterstützt durch Simulationsrechnungen, charakterisiert und Profilparameter, die verantwortlich sind für eine effiziente Kopplung, analysiert. Die gerichtete Emission von Fluorophoren, die auf einem Gitter immobilisiert wurden, wird im Detail untersucht, insbesondere bezüglich Betrag und Geometrie des Fluoreszenz-Emissionsmusters in Abhängigkeit von verschiedenen Gitterkonstanten und Polarisationen. Darüber hinaus wird die Verschiebung zwischen dem Minimum der reflektierten Intensität und dem Maximum der Fluoreszenzanregung untersucht. Eine Schlüsselanforderung zur kommerziellen Umsetzung der Gitterkopplung ist die preiswerte und formtreue Massenfertigung von Einwegproben. Die Vervielfältigung von Gittern wird an Hand einer einfachen Heißprägemethode mit hoher Reproduzierbarkeit demonstriert, um diesem Kriterium zu genügen. Die in-situ Fluoreszenzdetektion der Immobilisation eines Analyts und Affinitätsmessungen mittels Gitterkopplung werden zum ersten mal beschrieben. Die physikalischen Faktoren, die für die Nachweisempfindlichkeit verantwortlich sind, werden beurteilt und die untere Nachweisgrenze der Methode wird an Hand eines beispielhaften Protokolls bestimmt. Besondere Aufmerksamkeit wird auf den Beitrag von Fluorophoren aus der Volumenphase zum Gesamtsignal gerichtet, insbesondere im Zusammenhang mit der Polarisation von ein- und ausfallendem Strahl. Emission aus der Volumenphase kann ein limitierender Faktor für die Arbeit mit bestimmten Protokollen sein. Aus diesem Grund wird eine neuartige optische Methode, die auf der gleichzeitigen Modulation von Polarisation und Intensität des einfallenden Strahls basiert, vorgestellt und ihre Eignung zur Eliminierung dieses Beitrags demonstriert.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3483
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-9327
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Appears in collections:	JGU-Publikationen