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Prinzip der Resonanzmoden- Anregung in Mikropartikeln

Im Folgenden möchten wir Ihnen kurz die wesentlichen Aspekte der optischen Mikrosensorik auf Basis von Resonanzmoden-Anregungen in Mikropartikeln erläutern:

Eine Resonanzmode (engl. „Whispering Gallery Mode“; WGM) ist eine Lichtwelle, die über Totalreflexion im Innern eines sphärischen Mikropartikels entlang des Äquators zirkuliert. Die Welle muss dabei folgende Resonanzbedingung erfüllen, um hohe Intensität zu erreichen:

Gleichung 1 Gleichung mit m = 1, 2, 3, … : Modenzahl
λm: Wellenlänge der Resonanzmode mit der Modenzahl m
n: Brechungsindex des Mikropartikels
R: Partikelradius

Aus diesem Zusammenhang zwischen Wellenlänge der Resonanzmode sowie Brechungsindex und Größe des Mikropartikels wird deutlich, dass sich jede Änderung in Größe oder den optischen Eigenschaften des Mikropartikels in einer Änderung der Resonanzmoden widerspiegelt. Abbildung 1 veranschaulicht dies für den Fall einer Adsorption auf der Partikeloberfläche.

legende1Abbildung 1
Prinzip der Resonanzmoden (Whispering Gallery Mode)– Anregung in sphärischen Mikropartikeln und der Bestimmung von Adsorbatmengen auf der Partikeloberfläche


Tatsächlich ist Gleichung 1 nur eine Näherung und Position und Breite der Resonanzmoden hängen nicht nur von den optischen Eigenschaften des Mikropartikels, sondern auch von denen seiner Umgebung ab. Denn um das Licht im Partikel halten zu können, muss es an der Grenzfläche zwischen Partikel und Umgebung immer wieder total reflektiert werden. In die Gesetze für Totalreflexion geht aber das Verhältnis der Brechungsindizes von Partikel und seiner Umgebung ein.

Es lassen sich deshalb auch lokale Brechungsindizes in der Umgebung des Sensorpartikels bestimmen, wodurch beispielsweise auch die Messung von Konzentrationsprofilen in Mikrovolumina, wie etwa denen von Analyten in Mikrokanälen, möglich wird. Für Einzelheiten verweisen wir auf den open access Artikel A. Francois und M. Himmelhaus, Sensors 9 (9), 6836 – 6852 (2009).

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Unsere Umsetzung des Meßprinzips

In der Praxis stellt sich die Frage nach einer einfachen und möglichst geschickten Anregung der Resonanzmoden. Je kleiner das Sensorpartikel, desto schwieriger die Kopplung an die Außenwelt. Wir nutzen deshalb ein denkbar einfaches Prinzip: Fluoreszente Mikropartikel, also Partikel, die mit einem fluoreszierenden Farbstoff befüllt sind, werden durch Lichteinstrahlung von außen, beispielsweise durch einen Laserstrahl, zur Fluoreszenz angeregt. Während ein Großteil des Fluoreszenzlichts aus dem Partikel entweicht, wird ein Teil davon über Totalreflexion in seinem Innern gefangen und beginnt wie oben beschrieben zu zirkulieren. Die auf diese Weise angeregten Resonanzmoden werden im Fluoreszenzspektrum des Partikels sichtbar, wie in Abbildung 2 gezeigt.

legende 2Abbildung 2
Fluoreszenz-Anregungen in Polystyrol- Partikeln von nominal 10 µm Durchmesser:
UNTERES BILD: Emission eines sphärischen sowie eines ungleichmäßig geformten Partikels. Letzteres zeigt nur die Emissionskurve des Farbstoffs ohne überlagerte Resonanzmoden. Beide Partikel befanden sich während der Messung in reinem Wasser auf einem Mikroskop-Deckglas; OBERES BILD: Differenz der beiden Spektren aus der unteren Abbildung. Die Resonanzmoden (engl. „Whispering Gallery Modes“) sind nun deutlich sichtbar. Die Peaks unterschiedlicher Breite stammen von Resonanzen verschiedener Ordnung.


Das Partikel wird also optisch angeregt und optisch ausgelesen, was bedeutet, dass es sich völlig ungebunden in einer Lösung bewegen kann: es handelt sich um einen „ferngesteuerten“ Mikrosensor. Außerdem lassen sich mit diesem einfachen Anregungsprinzip sehr kleine Partikel als Resonanzmoden- Sensoren (im folgenden oft kurz auch WGM- Sensoren genannt) betreiben, die beispielsweise in Mikrokanäle eingebracht oder sogar – wie im Anwendungsbeispiel 2 weiter unten gezeigt – von lebenden Zellen aufgenommen werden können.

Ein weiterer wichtiger Vorteil der Fluoreszenzanregung ist die hohe Signalstärke, die die Instrumentierung vereinfacht und so die Systemkosten deutlich absenkt.

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Systemeigenschaften & Spezifikationen

Sensorpartikel:Größe je nach Umgebung 3 – 15 µm
Anregung bei 450 – 550 nm
Emission von 490 – 650 nm
Kern-Material: Polystyrol (Standard)
Oberfläche: standardmäßig beschichtet mit Polyelektrolyten,
andere Beschichtungen und Funktionalisierungen (Proteine, DNA) auf Anfrage
Anregung:Über Laser oder kostengünstig über LED- Lichtquellen
Detektion:Über einen hochauflösenden Spektrographen, optische Auflösung 1.5 cm-1 (entspricht λopt = 0.036 nm oder 0.012 nm/Pixel)

Spezifikationen:

Folgende Leistungsfähigkeit wurde nachgewiesen für Sensorpartikel mit einem Durchmesser von 10 µm bei Anregung um 450 nm und Fluoreszenzemission im Bereich 490 – 510 nm:

Massendetektionslimit für Adsorbate:a 50 fg
Minimal detektierbare Schichtdicke für Adsorbate:b 0.11 nm
Minimal detektierbare Änderung im Brechungsindex der
Partikelumgebung:c 2 x 10-4
Minimal detektierbare Partikel- Deformation:d 1 nm
Minimal detektierbare Moden- Verschiebung:e 0.01 nm

Nachweise:
a A. Francois, S. Krishnamoorthy, M. Himmelhaus, Proc. SPIE 6862, 68620Q/1-8 (2008)
b A. Francois, M. Himmelhaus, Appl. Phys. Lett. 92, 141107/1-3 (2008)
c A. Francois, M. Himmelhaus, Sensors 9, 6836-6852 (2009)
d A. Francois and M. Himmelhaus, Biosens. Bioelectron. 25 (2), 418-427 (2009)
e mit unserem Standard- Spektrometer Modell Nr. WGM01-2010

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Anwendungsbeispiele

Anwendungsbeispiel 1:
Bestimmung von Adsorbatmengen auf der Partikeloberfläche

Experiment: Beschichtung von fluoreszenten 10 µm Polystyrolpartikeln in reinem Wasser mit unterschiedich geladenen Polyelektrolyten (PEs). Die WGM- Spektren von einzelnen Mikropartikeln sowie von aus mehreren Partikeln bestehenden Clustern werden in Abhängigkeit von der Zahl der aufgebrachten Doppellagen gemessen. Für Einzelheiten siehe A. Francois & M. Himmelhaus, Appl. Phys. Lett. 92, 141107/1-3 (2008).

Anwendung teil 1

Anwendung Teil 2


Anwendungsbeispiel 2: Messung biomechanischer Kräfte

Die von uns eingesetzten Sensorpartikel sind klein genug, um von lebenden Zellen gefressen zu werden. Während dieser sogenannten „Phagozytose“ kann der Sensor weiter betrieben werden, also die Resonanzmoden aufgezeichnet werden. Die folgenden Bildern illustrieren kurz die wesentlichen Punkte dieses neuen Verfahrens zur Messung biomechanischer Kräfte, also der Kräfte, die von den Zellen während des Freßvorgangs auf das Sensorpartikel ausgeübt werden. Für Einzelheiten verweisen wir auf A. Francois and M. Himmelhaus, Biosens. Bioelectron. 25 (2), 418-427 (2009).

Macrophage während der Phagozytose (Inkorporation) eines 10 µm WGM-Sensors (mit freundlicher Genehmigung von Dr. Heike Böhm, Max-Planck-Institut Stuttgart)

Anwendungsbeispiel 2 Teil 2

Änderung der Resonanzmoden während der Phagozytose:

Anwednungsbeispiel 2

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Kontakt

Dr. Michael Himmelhaus
NanoBioAnalytics

Max-Planck-Str. 3
12489 Berlin

Telefon
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