DE19824629A1

DE19824629A1 - Sensor, beruhend auf der Kombination von Oberflächenplasmonenresonanz und Cyclovoltammetrie

Info

Publication number: DE19824629A1
Application number: DE1998124629
Authority: DE
Inventors: Daniela Diez Schlereth; Rob P H Kooyman
Original assignee: BIOTUL BIO INSTR GmbH
Current assignee: BIOTUL BIO INSTR GmbH
Priority date: 1998-06-02
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 1999-12-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor mit dem gleichzeitig Oberflächenplasmonenresonanz und cyclovoltammetrische Untersuchungen durchgeführt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, beruhend auf der Kombination von Oberflächenplasmonenresonanz und Cyclovoltammetrie.

In den vergangenen zwanzig Jahren sind einige Arbeiten erschienen, die sich mit der Kombination von Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) und elektrochemischen Methoden befassen. Hierbei handelt es sich um theoretische Untersuchungen der Grenzfläche Elektrode/Elektrolyt (F. Abelés, T. López-Rios, A. Tadjeddine, Solid State Commun. 16, 843 (1975), R. Kötz, D. M. Kolb, J.K. Sass, Surface Sci. 69, 359 (1977), D.M. Kolb, in Surface Polaritons, V.M. Agranovich & D.L. Mills (Eds.) North-Holland Publishing Company, 1982, Kap. 8. 299-329).

Die Kombination von elektrochemischen Methoden und Oberflächenplasmonenresonanz wurde bereits auch praktisch ex situ angewandt, um biologische Systeme zu untersuchen (D.D. Schlereth, R.P.H. Kooyman, J. Electroanal. Chem. 431, 285 (1997), O. Pierrat, N. Lechat, c. Bourdilan, J.M. Laval, Langmuir 13, 4112 (1991)). Kürzlich ist eine Arbeit erschienen, die Oberflächenplasmonenresonanz unter simultaner Einwirkung eines statischen elektrischen Feldes nutzt, um biologische Systeme zu untersuchen (D.D. Schlereth, R.P.H. Kooyman, J. Electroanal. Chem. 444, 231 (1998).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor, insbesondere Biosensor, sowie ein Verfahren bereitzustellen, mit dem redoximodulierte Vorgänge in-situ beobachtet werden können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die Informationen aus der Oberflächenplasmonenresonanz und der Cyclovoltammetrie mit dem selben Sensor vorzugsweise simultan zu gewinnen, und somit eine in situ- Charakterisierung redoxmodulierter Vorgänge in dünnen Schichten vornehmen zu können. Außerdem eröffnet die simultane Kombination beider Meßmethoden die Möglichkeit, Phänomene zu erklären, die auf der Basis ausschließlich elektrochemischer Messungen oder unter alleiniger Verwendung der Oberflächenplasmonenresonanz nur unzureichend aufgeklärt werden können. Zusätzlich werden zuverlässigere quantitative Informationen über Spezies möglich, die unter Einfluß eines elektrischen Feldes an der Sensoroberfläche adsorbiert werden. Keiner der bisher bekannten Ansätze bietet einen Zugang zu der Untersuchung von redoxmodulierten dynamischen Prozessen (z. B. redoxschaltbare molekulare Vorgänge).

Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Sensors können Spezies wie z. B. anorganische oder organische Moleküle, die an Redoxprozessen teilnehmen können, untersucht werden. Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Sensor ein Biosensor.

Die Erfindung wird nachstehend anhand des Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipskizze einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors

Fig. 2 Diagramm zur Darstellung der Reduktion/Oxidation von Toluidinblau O (ToB)
Fig. 3 Cyclovoltammogramm von Toluidinblau O bei verschiedenen Anionen

Fig. 4 Auftragung des Oberflächenplasmonenresonanzwinkels gegen das simultan aufgenommene Scanpotential (Englisch: scanning potential) von Toluidinblau O bei verschiedenen Bromidkonzentrationen.

Sowohl die Oberflächenplasmonenresonanz (E. Kretschmann, Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflächenschwingungen, Z. Physik, 241, 314-324, 1971; A. Otto, Excitation of non-radiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection, Z. Physik, 216, 398-410, 1968; H. Raether, Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Springer Tracts in Modern Physics, 111, Springer Verlag, Berlin 1988) als auch die Cyclovoltammetrie (Electrochemical Methods, Fundamentals and Applications, A. J. Barth, L. R. Falkner, Kap 6. John Wiley & Sons, NY, 1980) sind bekannte Verfahren. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors entspricht dem bekannten Grundprinzip eines SPR- Sensors bestehend aus einem Prisma 11 und einer ca. 50 nm dicken Metalloberfläche 12, vorzugsweise aus Silber oder Gold. Die Metalloberfläche kann zudem auf herkömmliche Weise modifiziert sein, z. B. mit 3-Mercaptopropionsäure (S. Löfåf, B. Johnsson, Novel hydrogel matrix on gold surfaces in surface plasmon resonance sensor for fast and efficient covalent immobilization of ligands, J. Chem. Soc. Chem. Comm., 1526-1528, 1990; S. Löfåf, B. - Johnsson, G. Lindquist, Immobilisation of Proteins to a carboxymethyl dextrane modified gold surface for biospecific interaction analysis in surface plasmon resonance sensors, Anal. Biochem., 198, 268-277, 1991). Im Gegensatz zu elektrochemischen Methoden, die mit einem statischen elektrischen Feld arbeiten, wird bei der Cyclovoltammetrie mit einem dynamischen elektrischen Feld gemessen.

Der in Fig. 1 gezeigte Sensor zeigt eine bevorzugte Ausführungsform. Sie basiert auf einer Meßzelle, die vorzugsweise mit drei Elektroden (Arbeitselektrode 12, Gegenelektrode 13 und Referenzelektrode 14) ausgestattet ist, um die Messung von Cyclovoltammogrammen zu ermöglichen. Das Potential wird über einen Potentiostaten 15 reguliert. Das besondere Merkmal dieser elektrochemischen Zelle ist, daß die Metalloberfläche gleichzeitig als SPR-Substrat und als Arbeitselektrode für die Cyclovoltammogrammen dient. Um spektroelektrochemische Experimente mit der erforderlichen Zuverlässigkeit ausführen zu können, ist die Meßzelle vorzugsweise mit einem Ein- und Ausgang für einen Inertgasstrom versehen, so daß alle Experimente unter Inertgas ausgeführt werden können. Hierdurch vermeidet man Artefakte, die durch die Reduktion von Luftsauerstoff an der Elektrode entstehen können.

Ausführungsbeispiel Bestimmung der Menge und der Orientierung adsorbierter Moleküle durch SPR-Cyclovoltammetrie

Die Messungen werden ausgeführt an einem SPR- Cyclovoltammetrie-Gerät aus Eigenbau. Ein optisches Glassubstrat mit einer 50 nm dicken Goldschicht auf einer 2 nm dicken Titanschicht wird als Arbeitselektrode und als Substrat für SPR verwendet. Vor Gebrauch wird das Goldsubstrat mit einer Mischung aus konzentrierter Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid (H₂SO₄ : H₂O₂ = 7 : 3 v/v) gereinigt und anschließend mit zweifach destilliertem Wasser gespült. Die Küvette, ein geschlossener Plexiglas®-Block in direktem Kontakt zur Goldoberfläche (Länge 1,5 cm, Breite 0,5 cm, Höhe 1,0 cm), besitzt zwei getrennte innere Kavitäten, die den Kontakt von jeweils einer Fläche von 0,75 cm² der Goldoberfläche mit der Arbeitslösung ermöglichen. 0,1 cm² Platinfolie und eine Ag/AgCl-Referenzelektrode werden als Gegen- und Referenzelektrode jeweils in die Seiten der Kavitäten eingebracht (Zwei-Kanal-SPR-Gerät). Die Arbeitslösung wird durch zwei Einlasse an der Oberseite der Kavitäten mit Stickstoff gespült. Für die cyclovoltammetrischen Untersuchungen wird die elektrochemische Zelle mit einem Potentiostaten und einem Funktionsgenerator (Hewlett-Packard 3310B) verbunden.

Der SPR-Aufbau wird mit einem Diodenlaser der Wellenlänge 670 nm und einer Auflösung von 10^-3 Grad ausgestattet. Adsorption einer Substanz mit einem Brechungsindex n = 1,45 in einer wäßrigen Umgebung führt zu einer Änderung des Oberflächenplasmonenwinkels von ca. 0,08 Grad pro nm Schichtdickenzunahme.

Durch die simultane Messung von SPR und Cyclovoltammetrie ist es möglich, die Belegung einer Oberfläche mit Toluidinblau O-Molekülen und die Orientierung dieser Moleküle zu untersuchen. Toluidinblau O ist ein annähernd planares Molekül, demnach kann es hochkant oder flach an einer Oberfläche adsorbieren. Hochkant adsorbierte Moleküle zeigen ein um 150 bis 200 mV zu negativen Potentialen verschobenes Redoxpotential verglichen mit flach adsorbierten Spezies. Die Orientierung der Moleküle kann durch die Beschaffenheit der Anionen in der Pufferlösung beeinflußt werden. Fig. 3 zeigt, daß sich das Redoxpotential von Toluidinblau Q in Lösung von -0,340 V in 10 mM Natriumphosphatpuffer, pH 7,0 (∎) nach -0,140 V im selben Puffer mit 100 mM KBr () verschiebt (0,5 mM Toluidinblau O; Scangeschwindigkeit 20 mV.s^-1). Wenn KCl statt KBr bei sonst gleichen Bedingungen verwendet wird, mißt man ein Redoxpotential von -0,265 V. Die deutliche Veränderung der Redoxpotentiale legt nahe, daß Toluidinblau O sich bei niedriger Ionenstärke bevorzugt hochkant an die Goldoberfläche anlagert, während eine hohe Konzentration von Bromidionen eine flache Anlagerung induziert. Auftragungen des Oberflächenplasmonenresonanzwinkels gegen das simultan aufgenommene Scanpotential bei verschiedenen Bromidkonzentrationen (a: 20 mM, b: 40 mM, c: 60 mM, d: 100 mM KBr) zeigen, daß eine größer werdende Verschiebung im Minimumswinkel der Plasmonenresonanz sowohl im kathodischen als auch im anodischen Teil des Scans mit einer höheren Konzentration an Bromidionen verbunden ist (Fig. 4). Die Messung wird mit einer 0.5 mM Toluidinblau O-Lösung bei einer Scangeschwindigkeit von 10 mV.s^-1 in 10 mM Natriumphosphat-Puffer aufgenommen (pH: 7; ⚫ kathodischer Scan, anodischer Scan). Berechnet man die adsorbierte Menge an Toluidinblau O durch Integration der Cyclovoltammogramme, so findet man bei 20 mM KBr eine Belegung Γ von 1,94 ng.mm^-2, bei 100 mM KBr hingegen 4,04 ng.mm^-2. Außerdem nimmt die Asymmetrie zwischen anodischem und kathodischem Scan (Γa/Γc = 1,48 bei 20 mM KBr, Γ_a/Γ_c = 1,00 bei 100 mM KBr) bei hohen KBr-Konzentrationen ab, wie der Vergleich der Γ_a/Γ_c-Verhältnisse bei niedrigen und bei hohen KBr-Konzentrationen zeigt.

Claims

1. Sensor, beruhend auf der Kombination von Oberflächenplasmonenresonanz und Cyclovoltammetrie, wobei ein Oberflächenplasmonenresonanzsignal und ein Cyclovoltammogramm vorzugsweise zeitgleich von der selben Probe aufgezeichnet werden.

2. Sensor nach Anspruch 1, wobei der Aufbau eine Drei- Elektroden-Konfiguration aus Arbeitselektrode, Gegenelektrode und Referenzelektrode beinhaltet.

3. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei sich alle Elektroden in einer Meßzelle befinden.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Edelmetalloberfläche, die als Sensoroberfläche für die Oberflächenplasmonenresonanz dient, gleichzeitig die Arbeitselektrode beim cyclovoltammetrischen Meßprozeß ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Meßzelle einen Ein- und Ausgang für Inertgas besitzt.

6. Verfahren beruhend auf der Kombination von Oberflächenplasmonenresonanz und Cyclovoltammetrie, wobei ein Oberflächenplasmonenresonanzsignal und ein Cyclovoltammogramm vorzugsweise zeitgleich von der selben Probe aufgezeichnet werden.