Entwurf und experimentelle Untersuchung eines faseroptischen Oberflächenplasmonenresonanz-Sensors

In der medizinischen Diagnostik, Bioverfahrenstechnik und Umwelttechnik besteht ein steigender Bedarf an kompakten Analysegeräten für die schnelle Vor-Ort-Detektion spezifischer biochemischer Substanzen. Im Rahmen der Arbeit wurde daher ein neuartiger faseroptischer Sensor entwickelt, der in der Lage ist kleinste Brechzahländerungen, z.B. durch molekulare Bindungsprozesse, zu detektieren. Die hohe Empfindlichkeit an der vergoldeten Spitze der Sensorfaser beruht auf der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) einer einzelnen Mantelmode, die durch ein langperiodisches Fasergitter (LPG) ermöglicht wird. Die Übertragungsfunktion des Sensors wurde unter Verwendung eines Schichtwellenleitermodells schnell und präzise modelliert. Es konnte gezeigt werden, dass in einem wässrigen Umgebungsmedium die höchste Empfindlichkeit im Spektralbereich um 660 nm unter Annahme einer rund 35~nm dicken und 2~mm langen Goldbeschichtung erreicht wird. Weiterhin wurde nachgewiesen, dass mit einer intermediale Schicht aus Cadmiumsulfid die SPR der Mantelmode in einen höheren Spektralbereich verschoben und damit die Empfindlichkeit deutlich verbessert werden kann. Um eine geringe Polarisationsabhängigkeit des Sensors sicherzustellen, wurde ein nasschemisches Abscheidungsverfahren für die allseitige Goldbeschichtung der Sensorfaser entwickelt. Die spezifischen optischen Eigenschaften dieser Abscheidungen wurden mit Hilfe von LPGs untersucht, die durch eine spezielle UV-Belichtung hergestellt wurden. Die Experimente ergaben, dass die komplexe Permittivität nasschemischer Abscheidungen mit Schichtdicken oberhalb von 50~nm mit aufgedampften Goldschichten vergleichbar ist. Die Verluste der adressierten Mantelmoden wurden mit einer äquivalenten Sensoranordnung aus zwei identischen LPG untersucht. Dabei konnte ein Skalierfaktor abgeleitet werden, der die effiziente Berechnung der Mantelmodendämpfung erlaubt. Es wurde nachgewiesen, dass die Brechzahlauflösung etablierter volumenoptischer SPR-Sensoren mit einer einfachen Transmissionsmessung an einer geeigneten Wellenlänge erreicht werden kann. Die äußerst kompakte Sensorfläche des faseroptischen Sensors ermöglicht darüber hinaus die Untersuchung deutlich kleinerer Probenvolumina ohne ein zusätzliches mikrofluidisches System zu benötigen. Es wurde gezeigt, dass sekundäre Brechzahländerungen aufgrund von Temperaturschwankungen oder unspezifische Ablagerungen durch eine differentielle Auswertung zweier identischer Sensoren kompensiert werden können. Die verbleibende Querempfindlichkeit wird durch die Polarisationsabhängigkeit der Sensoren bestimmt. Die geringste Querempfindlichkeit konnte daher mit einer homogenen nasschemischen abgeschiedenen Sensorfläche nachgewiesen werden.Compact analysis devices which facilitate the rapid detection of specific biochemical substances are in increasing demand in the fields of point-of-care medical diagnostics, bioprocess engineering and environmental engineering. The aim of this work was therefore to design a novel fiber-optic sensor able to detect small refractive index changes such as those caused by molecular binding processes. The high level of sensitivity at the gold-plated tip of the sensor fiber stems from the surface plasmon resonance (SPR) of a single cladding mode, which is the result of a long-period fiber grating (LPG). The transfer function of the sensor was calculated quickly and accurately using a slab waveguide model. It was observed that the highest level of sensitivity in an aqueous ambient medium is achieved at a wavelength of 660 nm assuming a gold coating of 35 nm in thickness and 2 mm in length. Furthermore, it was demonstrated that an intermedial cadmium sulfide layer shifts the SPR of the cladding mode towards higher wavelengths, thus leading to significantly enhanced sensitivity. An electroless plating process for the omnidirectional deposition of gold on the sensor fiber was developed in order to minimize the sensor\'s dependency on polarization. The specific optical properties of the gold layer deposited were investigated with the aid of LPGs fabricated using a special UV exposure method. The experiments showed the complex permittivity of electroless platings with a thickness of over 50 nm to be comparable with that of evaporated gold layers. The losses of the addressed cladding modes were investigated using an equivalent sensor setup consisting of two identical LPGs. This facilitated the determination of a scaling factor enabling the effcient calculation of cladding mode attenuation. It was demonstrated that it is possible to obtain the refractive index resolution of established volume optical SPR sensors with the aid of simple transmission measurements at a specific wavelength. Moreover, the extremely compact sensing area of the fiber-optic sensor enables the investigation of smaller sample volumes without the need for an additional microfluidic system. Secondary refractive index changes caused by temperature fluctuations or unspecific binding events can be compensated for by means of the differential interrogation of two identical fiber-optic sensors. The residual cross sensitivity is determined by the polarisation dependency of the sensor. The lowest cross sensitivity was therefore demonstrated in combination with a homogeneous electroless plated sensor surface