Nanoskalige Optische Bioanalytik

Sensorik auf Basis von Silizium-Nanodrähten und plasmonischen Verstärkern

  • Abb. 1: Schematische Darstellung der plasmonisch verstärkten Raman-Spektroskopie durch Gold-Nanopartikel auf einem Nanodraht (vgl. [6]). Grünes Laserlicht wird hierbei durch Raman-aktive Moleküle in der Wellenlänge spezifisch verändert, so dass ein Molekülnachweis im Nanometerbereich möglich wird (hier der Farbstoff Methylblau).Abb. 1: Schematische Darstellung der plasmonisch verstärkten Raman-Spektroskopie durch Gold-Nanopartikel auf einem Nanodraht (vgl. [6]). Grünes Laserlicht wird hierbei durch Raman-aktive Moleküle in der Wellenlänge spezifisch verändert, so dass ein Molekülnachweis im Nanometerbereich möglich wird (hier der Farbstoff Methylblau).
  • Abb. 1: Schematische Darstellung der plasmonisch verstärkten Raman-Spektroskopie durch Gold-Nanopartikel auf einem Nanodraht (vgl. [6]). Grünes Laserlicht wird hierbei durch Raman-aktive Moleküle in der Wellenlänge spezifisch verändert, so dass ein Molekülnachweis im Nanometerbereich möglich wird (hier der Farbstoff Methylblau).
  • Abb. 2: Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme von Silizium-Nanodrähten mit plasmonischen Strukturen: (a) Dekoration mit verankerten Gold-Nanopartikeln; (b) Gold-Nanopartikel erzeugt aus einer einseitig aufgedampften nominellen 5 nm dicken Goldschicht, der Metallpartikel (weißer Pfeil) für das Wachstum der Nanodrähte ist an der Nanodrahtspitze zu erkennen; (c) Gold-Nanopartikel erzeugt aus einer aufgedampften 30 nm dicken Goldschicht.
  • Abb. 3: Raman-Spektren (a) und zugehöriges Raman-Oberflächenmapping (b) eines Silizium-Nanodrahts mit plasmonischen Strukturen (vgl. Abbildung 2(b)) auf einer mit Methylblau funktionalisierten Oberfläche. Es ist hierbei eindeutig zu erkennen, dass Methylblau einzig im Bereich des Silizium-Nanodrahts bzw. im Bereich der plasmonischen Strukturen nachgewiesen werden kann.

Die biochemische Analyse kleinster Volumina und insbesondere lebender Zellen und Zellkulturen stellt eine wichtige Schlüsselkomponente der modernen medizinischen und biologischen Forschung dar. Messfühler, sogenannte Transducer, für hochaufgelöste Messungen dürfen u. a. das biologische System nicht stören. Nanodrähte, z. B. aus halbleitenden Materialien wie Silizium, stellen hierbei schon seit einigen Jahren interessante Forschungsobjekte dar.

Mit einem Durchmesser typischerweise im Bereich von 100 nm und einer Länge von zumeist einigen Mikrometern gestatten Nanodrähte grundsätzlich die Fertigung nanoskaliger Messfühler. Im Bereich der Silizium-Nanodrähte ist hierbei das Prinzip des ionensensitiven Feldeffekt-Transistors, als sensorisches Prinzip basierend auf dem Halbleiterfeldeffekt, vorherrschend. Diese Art von Transistoren beruht darauf, dass eine äußere, oberflächennahe Ladung im Inneren des Halbleiters mit der entsprechenden Gegenladung kompensiert wird, wodurch es zu einer Anreicherung oder auch Verarmung von Ladungsträgern im Halbleiter kommt. Diese Veränderung der Ladungsträgerkonzentration kann einfach als Änderung der elektrischen Eigenschaften, wie z. B. des Nanodraht-Widerstands, erfasst werden, was prinzipiell auch die Basis moderner Elektronik darstellt. Aufgrund des geringen Volumens eines Nanodrahts und der dazu im Verhältnis großen Oberfläche können durch den Einsatz von Silizium-Nanodrähten theoretisch hochsensitive Ladungsmessungen erwartet werden. Auch wenn dieses Konzept durchaus vielversprechend erscheint, lassen sich dennoch zahlreiche Nachteile identifizieren. Für die Realisierung von Nanodraht-Feldeffekt-Transistoren ist eine elektrische Integration des Nanodrahts unumgänglich. Diese besteht aus den erforderlichen Elektroden zum Auslesen des elektrischen Signals und aus mindestens einer weiteren Elektrode zur Potentialkontrolle der Probenflüssigkeit [1]. Auch eine geeignete elektrische Isolation muss realisiert werden. Neben der technologischen Fertigung ist aber insbesondere auch die Analyse komplexer Stoffgemische und von Molekülen in hohen Ionenstärken und im Einflussbereich schwankender pH-Werte, wie dies insgesamt bei biologischen Proben zu erwarten wäre, eine große und noch immer weitgehend ungelöste Herausforderung für die Nanodrahtsensorik.
 
Verstärkung von Raman-Signalen
Eine generelle Alternative bieten spektroskopische Messverfahren.

Diese liefern neben der Lichtintensität, als Äquivalent zur veränderten Anzahl an Ladungsträgern, als zusätzliche Information z. B. auch die Wellenlänge des optischen Response-Signals. Für die Analyse wässriger Proben und insbesondere von lebenden Zellen und Zellkulturen erscheint die Raman-Spektroskopie vielversprechend. Diese basiert auf der Analyse des charakteristischen Energieverlusts eines Lichtteilchens bekannter Energie (Wellenlänge) in Wechselwirkung mit einem ramanaktiven Molekül. Ein großer Vorteil der Raman-Spektroskopie im Vergleich zu anderen spektroskopischen Techniken im ultravioletten oder infraroten Spektralbereich ist, dass z. B. grünes Laserlicht, hier mit einer Wellenlänge von 532 nm, verwendet werden kann. Dieses scheint für biologische Zellen ideal verträglich und wird auch von Wasser kaum absorbiert. Ein großer Nachteil der Raman-Spektroskopie ist jedoch die sehr geringe Stärke des Signals. Diesbezüglich können zur lokalen Signalverstärkung plasmonische Verstärker eingesetzt werden [2]. Diese bestehen z. B. aus Anordnungen von Gold- oder Silber-Nanopartikeln, welche untereinander einen sehr geringen Abstand von zumeist weniger als 5 nm haben, um Resonanzeffekte zu ermöglichen. Die Elektronen der Nanopartikel können hierbei in eine resonante Kopplung mit dem einfallenden Licht treten, woraus eine optische Intensitätsverstärkung resultiert. Dies ist in einer stark vereinfachten Analogie mit der Verstärkung einer Saitenschwingung bei einer akustischen Gitarre durch den hohlen Gitarrenkorpus vergleichbar.

 
Der direkte Einsatz von Metallnanopartikeln für die Verstärkung spektroskopis-cher Messungen, z. B. bei lebenden Zellen und Zellkulturen, wäre auch grundsätzlich möglich, bedeutet bislang allerdings, dass die Metallnanopartikel nicht wieder aus dem biologischen System entfernt werden können. Die Zellvitalität kann hierdurch negativ beeinflusst werden [3]. Um nun die plasmonische Verstärkung für hochlokalisierte Biosensorik einsetzen zu können, müssen diese Nanopartikel folglich auf einem geeigneten Trägermaterial aufgebracht und fixiert werden.
 
Silizium-Nanodrähte als nanoskaliertes Trägermaterial
Ausgedehnte Anordnungen, sogenannte SERS-Substrate (SERS: surface enhanced Raman spectroscopy; dt.: oberflächenverstärkte Ramanspektrokopie), sind hier allerdings vielmehr invasiv und gestatten auch keine laterale Auflösung im Nanometerbereich. Hier stellen Silizium-Nanodrähte aufgrund ihrer Geometrie sowie der einfachen Möglichkeit deren Oberfläche zu funktionalisieren ein ideales nanoskaliges Trägermaterial dar (Abb. 1).
Für die Erzeugung der Silizium-Nanodrähte wurde die sogenannte Vapor-liquid-solid-Synthese eingesetzt [4]. Diese Methode beruht auf der Ausscheidung von Silizium aus einem Nanopartikel (z. B. Gold-Silizium), wobei der Nanodrahtdurchmesser durch den Durchmesser des eingesetzten Nanoanopartikels bestimmt wird. Das Silizium-Nanodrahtwachstum findet z. B. bei Temperaturen von ca. 500 °C in einem Niederdruckreaktor in einer Gasmischung aus Monosilan (SiH4) und Wasserstoff statt. Nach dem Wachstum der Nanodrähte müssen die plasmonischen Strukturen auf dem Nanodraht als Trägermaterial erzeugt werden. Hierfür existieren verschiedene Strategien (Abb. 2). Eine einfache Technik besteht darin, die Nanodrähte direkt mit dem Metall (z. B. Silber oder Gold) zu bedampfen, um eine ultra-dünne Schicht zu generieren. Durch zusätzliche Wärmebehandlung kann eine Metallinselbildung erzeugt bzw. auch verstärkt werden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung kolloidaler Gold- und Silbernanopartikel-Suspensionen, welche über ein chemisches Ankermedium, hier durch eine Funktionalisierung der Silizium-Nanodrahtoberfläche mit Polylysin, auf den Nanodraht übertragen werden können. Für beide Methoden gilt allerdings, dass der Abstand der Nanopartikel auf dem Nanodraht nicht präzise eingestellt werden kann. Vielmehr wird eine zufällige Anordnung und damit eine Streuung des Abstands zwischen den Metall-Nanopartikeln erhalten. Ungeachtet dessen existieren jedoch statistisch stets hinreichend viele Bereiche auf dem Nanodraht, bei denen eine plasmonische Verstärkung auftritt. Die Möglichkeit zur Kontrolle des Abstands von Gold-Nanopartikeln ist jedoch über komplexere Verfahren möglich. Eines dieser Verfahren ist die Anordnung von Gold-Nanopartikeln über DNS-Strangkodierung sowie die Aufbringung auf Silizium-Nanodrähten [5,6].
 
Molekülnachweis im Nanometerbereich
Ungeachtet der Methode konnten in allen o. a. Fällen einzelne Nanodrähte als Sonde verwendet werden, um hochlokal ein verstärktes Raman-Signal zu generieren. Hierzu wurden die modifizierten Nanodrähte von ihrem ursprünglichen Wachstumssubstrat entfernt, was je nach Anwendungsfall auf unterschiedliche Art und Weise geschehen kann. Zur Fertigung von Einzelnanodrahtsonden kann das oberflächenkontrollierte Nanodraht-Kontaktdruckverfahren eingesetzt werden. Deutlich einfacher ist die Ablösung und Überführung von Nanodrähten in eine Flüssigkeit wie Ethanol durch Ul-
traschalleinwirkung. Die so erzeugte Nanodraht-Suspension kann einfach auf eine Probe übertragen werden. Das Suspensionsmittel kann nachfolgend verdampft werden oder es wird einfach ein Bestandteil der Probe selbst. In ersten Versuchen wurden mit dieser Technik Silizium-Nanodrähte mit plasmonischen Strukturen auf eine Probenoberfläche übertragen, die zuvor mit einer Monolage des organischen Farbstoffs Methylblau modifiziert wurde (Abb. 3) [6]. Obwohl sich das Molekül auf der gesamten Oberfläche befand, ist aus den experimentellen Befunden klar zu erkennen, dass die Molekülsignatur nur im Bereich der plasmonischen Strukturen bzw. im Bereich des modifizierten Silizium-Nanodrahts auftritt.
 
Fazit
Mit Hilfe dieser SERS-Nanodrahtsonden kann der spektroskopische Nachweis eines Moleküls im Nanometerbereich und damit deutlich unterhalb der konventionell zu erwartenden Auflösung eines optischen Systems erfolgen. Im Falle der DNS-kodierten Goldnanopartikelanordnungen konnte z. B. der plasmonisch aktive Bereich auf einem Silizium-Nanodraht auf weniger als 50x200 nm konzentriert werden [6]. Auch eine weitere Verringerung scheint, basierend auf Berechnungen und Verstärkungsfaktoren im Bereich von 100.000, möglich. Für den Einsatz im Bereich der Zellkulturen ist es langfristig noch erforderlich, einzelne Nanodrähte mit einem Nanomanipulator zu kombinieren. Hierdurch wird zum einen durch eine nanoskalige x-y-z-Bewegung eine ortsaufgelöste Messung gestattet als auch die Möglichkeit gegeben, das plasmonische System lokal und minimalinvasiv einzusetzen sowie auch wieder vollständig aus dem Probensystem zu entfernen. Vergleichbar zu den zuvor beschriebenen Silizium-Nanodraht-Feldeffekt-Transistoren können auch Nanodraht-SERS-Sonden zusätzlich mit spezifischen Molekülen funktionalisiert werden. Diese spezifischen Funktionalisierungen können dann dem spezifischen Nachweis bestimmter Stoffe, des pH-Werts oder auch einer allgemeinen Erhöhung des Informationsgehalts des Signals im Falle komplexer Stoffgemische dienen. Auch wenn noch intensiver Forschungsbedarf besteht, besitzen SERS-Nanodrahtsonden definitiv das Potential, sich zu wichtigen nanoskaligen Werkzeugen der biologischen und medizinischen Forschung zu entwickeln.
 
Danksagung
Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung bei Dr. D. Geiger (TEM), S. Jenisch, Dr. M. Gonçalvez und Dr. O. Wittekindt (Universität Ulm).
 
 
Autoren
Ardeshir Moeinian1, Steffen Strehle
 
 
Zugehörigkeiten
1Universität Ulm, Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungen, Ulm, Deutschland
2Technische Universität Ilmenau, Institut für Mikro- und Nanotechnologien, Fachgebiet Mikrosystemtechnik, Ilmenau, Deutschland

 

Kontakt   
Prof. Dr.-Ing. S. Strehle

Technische Universität Ilmenau,
Fakultät für Maschinenbau
FG Mikrosytemtechnik
Ilmenau, Deutschland
steffen.strehle@tu-ilmenau.de

 

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Referenzen

[1]      J. H. Tian et al., “Study of molecular junctions with a combined surface-enhanced raman and mechanically controllable break junction method,” J. Am. Chem. Soc., vol. 128, no. 46, pp. 14748–14749, 2006.

[2]      M. Moskovits, “Surface-enhanced spectroscopy,” Rev. Mod. Phys., vol. 57, no. 3, pp. 783–826, 1985.

[3]      Y. Pan et al., “Size-Dependent Cytotoxicity of Gold Nanoparticles,” Small, vol. 3, no. 11, pp. 1941–1949, Oct. 2007.

[4]      R. S. Wagner and W. C. Ellis, “Vapor-liquid-solid mechanism of single crystal growth,” Appl. Phys. Lett., vol. 4, no. 5, pp. 89–90, 1964.

[5]      J. Prinz, C. Heck, L. Ellerik, V. Merk, and I. Bald, “DNA origami based Au–Ag-core–shell nanoparticle dimers with single-molecule SERS sensitivity,” Nanoscale, vol. 8, no. 10, pp. 5612–5620, 2016.

[6]      A. Moeinian et al., “Highly Localized SERS Measurements Using Single Silicon Nanowires Decorated with DNA Origami-Based SERS Probe,” Nano Lett., vol. 19, no. 2, pp. 1061–1066, Jan. 2019.

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