Entwicklung und Charakterisierung eines kolloidalen Lithographieverfahrens zur Herstellung plasmonischer Biosensoren

Periodische Lochgitter in Metallfilmen zeigen überraschende optische Eigenschaften, welche auf die resonante Anregung von Oberflächenplasmonen (OP) zurückzuführen sind. So kann eine verstärkte Transmission bei Resonanzwellenlängen der OP beobachtet werden, welche unter anderem vom Brechungsindex der Umgebung des Metallfilms abhängt. In einer Reihe von Anwendungsfeldern wird der Einsatz von Lochgittern gegenwärtig untersucht, darunter die Verwendung in chemischen oder biologischen Sensoren. Trotz des Anwendungspotentials dieser Strukturen erfordert die Herstellung mit gegenwärtigen Methoden den Einsatz kostspieliger Verfahren oder ist nur mit geringem Durchsatz möglich. In dieser Arbeit wurde daher ein neuartiges, lithographisches Verfahren entwickelt, mit dem sich Lochgitter in Metallfilmen mit rein chemischen Methoden herstellen lassen. Hierzu wurde zunächst ein simples Verfahren entwickelt, um zweidimensionale Kolloidkristalle herzustellen. Dabei wurden Hydrogel-Mikrosphären aus Poly-(N-isopropylacrylamid) (PolyNIPAM) eingesetzt, da diese eine Reihe bemerkenswerte Eigenschaften aufweisen. Insbesondere führt der reversible Volumenphasenübergang der Mikrosphären zur Bildung nicht-dichtest-gepackter Kristalle, welche direkt als lithographische Maske in den nachfolgenden Prozessschritten eingesetzt werden können. Daneben kann die induzierte Oberflächenaktivität ausgenutzt werden, um durch mechanisches Tempern die Anzahl der Kristallgrenzen drastisch zu reduzieren. Dabei konnten Einkristalle erhalten werden, dessen Ausdehnung in der Größenordnung von mm^2 liegt. Der kolloidale Kristall fungiert im folgenden Prozessschritt als lithographische Maske bei der Erzeugung eines Lochgitters in einem Goldfilm. Dieser Schritt basiert auf der gerichteten Bindung von Goldnanopartikeln an das Glassubstrat und deren Vergrößerung durch chemische Goldabscheidung. Hierbei wurde unter anderem untersucht, wie sich die strukturellen Eigenschaften, wie Gitterkonstante, Oberflächenrauheit und Filmdicke, präzise einstellen lassen. So kann etwa durch den Einsatz von Mikrosphären variablen Durchmessers die Gitterkonstanten zwischen ~ 300 - 1200 nm eingestellt werden. Dies ermöglicht die präzise Kontrolle der Position der Transmissions-Maxima im Spektrum. Die Transmission der erzeugten Lochgitter wurde im dritten Teil der Arbeit eingehend untersucht und wird erwartungsgemäß vor allem durch die Gitterkonstante bestimmt. Insbesondere wurde der Einfluss der Struktur, wie etwa die Ordnung des Lochgitters, auf die optischen Eigenschaften untersucht. Daneben wurde die Sensitivität der Resonanzen auf Änderungen des Brechungsindex bestimmt. Je nach betrachteter spektraler Signatur und Gitterkonstante ergab sich dabei die Sensitivität zu 300 - 800 nm/RIU. Sie ist damit vergleichbar mit Lochgittern, welche mit aufwendigeren Verfahren hergestellt wurden. Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Modellsystems, das künftig bei der Untersuchung des invasiven Potentials von Tumorzellen eingesetzt werden könnte. Das System basiert auf einem Lochgitter, welches mit einem Gelatinefilm definierter Dicke beschichtet wird. Durch die Aktivität von Kollagenasen, welche typischerweise von invasiven Tumorzellen sezerniert werden, kann die Gelatine abgebaut werden. In ersten Experimenten konnte gezeigt werden, dass der enzymatische Abbau im Transmissionsspektrum der Lochgitter verfolgt werden kann. Dies belegt die praktische Relevanz der untersuchten Lochgitter