Evaneszentfeld-Sensorik

Die Evaneszentfeld-Sensorik beschäftigt sich mit der Detektion von biologischen oder chemischen Prozessen auf der Oberfläche von Wellenleitern mittels optischer Anregung durch das evaneszente Feld von im Wellenleiter geführtem Licht.
Z.B. ermöglichen wellenleiter-basierte optische Biosensoren eine sehr effiziente und selektive Fluoreszenzanregung von Molekülen in der Nähe der Wellenleiteroberfläche. Die Eindringtiefe in das umgebende Medium liegt dabei im Bereich von 100 nm.
Die hohe Intensität des evaneszenten Feldes führt zu einer im Vergleich zur direkten Bestrahlung erhöhten Fluoreszenzanregung und erlaubt den Nachweis extrem kleiner Analyt-Mengen.

Unsere Entwicklungsarbeiten umfassen eine Verbesserung der Einkoppeleffizienz in den Wellenleiter mittels FEM Simulationen sowie die Herstellung entsprechender, hoch-frequenter Koppelgitter durch direkte Laserablation. Z.B. kann bei einer geeigneten spektralen Akzeptanz der Koppler die Pulsdauer von Ultrakurzpuls-Lasern erhalten werden. Die optimierten Koppler erlauben eine Verwendung der Wellenleiter-Sensoren in hochentwickelten Fluoreszenzanalyse Techniken wie Zwei-Photonen-Anregung oder Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie.

Bei evaneszenter Anregung wird aufgrund der Nähe der Moleküle zur Wellenleiteroberfläche ein erheblicher Anteil des Fluoreszenzlichtes in den Wellenleiter zurück gekoppelt und dort geführt. Die Koppeleffizienz hängt dabei von Position, Umgebung und Orientierung der Moleküle ab. Die Nutzung dieses rückgekoppelten Fluoreszenzlichts als Messsignal kann eine deutliche Vereinfachung der Detektionsoptik ermöglichen. Durch eine Analyse der gemessenen Abstrahlcharakteristik lassen sich theoretische Modelle zur Fluoreszenzabstrahlung an Grenzflächen überprüfen und Aussagen über die Orientierung und Anlagerung der Fluoreszenzmoleküle an der Oberfläche ableiten.

Anorganische, nichtlineare Nanokristalle sind vielversprechende Marker für die bioanalytische Bildgebung mit Frequenzverdopplung (SHG) deren Einsatz nicht durch Bleichen oder Blinken eingeschränkt ist. Das evaneszente Feld eines Wellenleiters ermöglicht eine simultane Anregung von SHG-Signalen an derartigen Nanokristallen auf einer makroskopisch großen Fläche. Durch Polarisationsanalyse des SHG-Signals und defokussierte Bildgebung kann die Orientierung der Kristallachsen von einzelnen Nanopartikeln rekonstruiert werden. Ein neuer und faszinierender Aspekt ist die Erzeugung von Interferenzen in der nichtlinearen Abstrahlung von individuellen, räumlich getrennten Nanopartikeln. Die beobachteten Interferenzmuster können auf der Basis eines Dipolmodells erklärt und simuliert werden.

Weiterführende Informationen:

A. Selle, C. Kappel, M.A. Bader, G. Marowsky, K. Winkler, U. Alexiev
Picosecond-pulse-induced two-photon fluorescence enhancement in biological material by application of grating waveguide structures
Optics Letters 30, 1683-1685 (2005)

R. Bäumner, L. Bonacina, J. Enderlein, J. Extermann, T. Fricke-Begemann, G. Marowsky, J.-P. Wolf
Evanescent-field-induced second harmonic generation by noncentrosymmetric nanoparticles
Optics Express 22, 23218 (2010)