Eine flache Metalloberfläche mit eingestanzten Ringen. Mehrere aufgesetzte Strukturen ähnlich Wassertropfen auf der Oberfläche, mit verschiedenen Schattierungen.

Sensoren nutzen Plasmonen für schnelle Blutanalyse

Nur ein Tropfen Blut könnte in Zukunft ausreichen, um schnell und genau ein komplettes Blutbild zu erstellen. In winzigen Sensoren beeinflussen sich dazu Lichtteilchen und Elektronen in einem Metall gegenseitig. Eine Arbeitsgruppe konnte nun diese Methode der sogenannten plasmonischen Interferometrie deutlich verbessern. Wie sie in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ berichten, benötigte ihr Prototyp eines Nanosensors kein Laserlicht mehr und konnte Analysen mit einer konventionellen Lichtquelle durchführen. Damit legten sie die Grundlage, um vielseitige Lab-on-a-Chip-Systeme für Blut- oder Wasseranalysen in ein Gerät von der Größe eines Smartphones zu integrieren.

„Wir haben ein komplett neues Konzept für die optische Interferometrie entwickelt“, sagt Domenico Pacifici von der Brown University in Providence in den USA. Gemeinsam mit seinen Kollegen bohrte er kleine Löcher, jedes nur ein Bruchteil eines millionstel Meters groß, in eine dünne Metallfolie. Um die Löcher ätzten sie konzentrische Ringe. In dieses Material deponierten sie zudem eine fluoreszierende Substanz, die mit einer konventionellen Lichtquelle beleuchtet angeregt werden konnte und ihrerseits Licht aussendete. Wurde nun diese Nanostruktur mit einer Flüssigkeit benetzt, konnte diese über die Wechselwirkung von Lichtteilchen mit kollektiven Bewegungen von Elektronen, sogenannten Plasmonen, auf einzelne Bestandteile analysiert werden.

Die Grundlage für diese Analyse bildeten spezifische Interferenzmuster. Dazu regte das Fluoreszenzlicht in der ringförmig strukturierten Metalloberfläche die Elektronen zu einer kollektiven Bewegung an. Es entstanden Plasmonen, die durch das Metall wanderten und ihrerseits wieder andere Lichtteilchen beeinflussten. Diese Wechselwirkung führte zu Interferenzmustern, die die Forscher mit einem Lichtsensor aufzeichnen konnten. Diese Muster veränderten sich abhängig von den Bestandteilen in der Flüssigkeit, die die filigrane Sensorstruktur benetzte. Mit diesem optischen Verfahren, das nun erstmals ohne Laserlicht auskam, konnten so schneller genaue Analysen durchgeführt werden als mit herkömmlichen chemischen Methoden.

Für ein Labor auf einem Chip können nun viele Löcher in eine Metalloberfläche gebohrt werden, umgeben von Ringen mit verschiedenen Durchmessern. Jede dieser Strukturen wäre dann geeignet, jeweils eine andere Substanz in einem Tropfen nachzuweisen. Pacifici und Kollegen wollen in weiteren Versuchen das für diese Analysen nötige Licht über Glasfaserkabel auf den Sensorchip lenken. So könnten die Chips weiter schrumpfen und in Zukunft in ein handgroßes Analysegerät passen. Das können nicht nur Ärzte für Blutanalysen nutzen, sondern auch Umweltforscher, die Wasserproben schnell auf Schadstoffe untersuchen möchten.