A resonant plasmonic structure for fluorescence spectroscopy

Abstract

Der Nachweis von Spuren chemischer und biologischer Verbindungen ist in vielen Bereichen,wie etwa der medizinischen Diagnostik, Umweltüberwachung oder Ernährungssicherheit, von wachsender Bedeutung. Eine gut etablierte, sensitive Methode zur Durchführung solcher Tests ist die Fluoreszenzspektroskopie, eine Methode die auf dem Einsatz fluoreszierender Farbstoffe basiert. Die Sensitivität solcher Fluoreszenz-Assays kann durch die Kombination mit plasmonischen Nanostrukturen, welche die Fluoreszenzintensität lokal verstärken, stark verbessert werden. Dabei koppelt das Dipolmoment des Fluoreszenzfarbstoffes mit dem stark auf die Oberfläche konzentrierten elektro-magnetischen Feld von resonant angeregten Oberflächenplasmonen. Diese optischen Wellen entstehen durch die Anregung von Schwingungen der Ladungsträgerdichte inmetallischen Filmen und metallischen Nanopartikeln und gehen mit einer dramatischen Verstärkung der elektromagnetischen Feldstärke und Zustandsdichte einher. Angewandt auf Fluoreszenz-Assays kann diese Wechselwirkung verwendet werden um die Anregung des Farbstoffes selektiv zu verstärken und die Licht-Sammeleffizienz durch gerichtete Abstrahlung zu erhöhen. In dieser Arbeit wird eine neue plasmonische Struktur vorgestellt und analysiert, die aufmetallischen Nanopartikeln,angeordnet als regelmäßiges optisches Gitter,basiert. Eine Struktur, die kollektive Oberflächenplasmonen-Resonanzen an den Absorptions-und Emissionswellenlängen von Fluoreszenzfarbstoffen und im roten und infraroten Teil des Spektrums erlaubtm,wird untersucht. Numerische Simulationen werden eingesetzt um die Geometrie zu planen und zu untersuchen. Die optimierte Struktur wird mit Photo-Nanoimprint Lithographie und einemBedampfungsprozess erzeugt und Raster-Kraft-Mikroskopie sowie Elektronenmikroskopie werden eingesetzt um die Morphologie zu bestimmen. Die Bestimmung der spektralen Eigenschaften erfolgt durch optische Spektroskopie, wie auch die spätere Anwendung als fluoreszenzbasierter Biosensor auf optischen Verfahren basieren wird.

The detection of trace amounts of chemical and biological compoundsis of increasing importance innumerous fields including medical diagnostics, environmental monitoring and food safety. A well-establishedsensitive methodfor the readout of detection assays for numerous analytes is fluorescence spectroscopy which relies on the useof fluorescent dye labels. The combination of fluorescence spectroscopy with plasmonic nanostructuresoffers attractive means tolocallyamplify fluorescence intensity emitted by fluorophore labels and thus improve the sensitivity of fluorescence assays. This approach is based on the coupling of the dipole moment of the fluorescence dye with the strongly confined electromagnetic field that occurs upon the resonant excitation of surface plasmons. These optical waves originate from oscillations of charge density at the surface of metallic films and metallic nanoparticles which is accompanied by strong enhancement of the electromagnetic field intensity and local density of states. When applied to fluorescence assays, this interaction can be utilized to selectively increase the excitation strength and improve the collecting efficiency of fluorescence light emitted vial surface plasmons at the sensor surface. This thesis presents an analysis of a new design of a plasmonic structure for epifluorescence readout geometry that utilizes arrays of metallic nanoparticles arranged in a diffractive lattice. A structure supporting collective localized surface plasmons at wavelength that coincide with absorption and emission wavelengths of red and near infrared dyes is investigated. Numerical simulations are employed to study and optimize its geometry. Photo-nanoimprint lithography and thermal evaporation are employed to prepare the designed structureand atomic force microscopy and electron microscopy are employed to verify its morphology. Optical spectroscopyis used for the measurement of spectrum of supported plasmonic resonances and for future implementation to fluorescence biosensors applications.