Plasmonische Metamaterial-Strukturen als Quellen gesteigerter Sensitivität in FT-IR- und VCD-Messsystemen

Knipper, Richard GND

In den Lebenswissenschaften und in der Pharmazie besteht ein kontinuierlicher Bedarf an neuen, immer leistungsfähigeren spektroskopischen Techniken. Besonders die FT-IR-Spektroskopie als eine der am besten etablierten Techniken überhaupt schien ihre maximale Leistungsfähigkeit bereits vor über einer Dekade erreicht zu haben Die Plasmonik und die dadurch zu erreichende oberflächenverstärkende Spektroskopie bereichert jedoch seit Jahren die Raman-Spektroskopie (SERS) und seit Kurzem auch die FT-IR-Spektroskopie (SEIRA). Die Wechselwirkung von Plasmonenbande und Analytbanden aufgrund der Änderung der dielektrischen Funktion ist unvermeidlich und bedarf eines tiefen Verständnis des zugrundeliegenden Wirkmechanismus der plasmonischen Verstärkung. Insbesondere im Bereich der VCD-Spektroskopie ist dies, wie durch diese Arbeit gezeigt werden konnte, jedoch nicht immer vollständig gegeben. In dieser Arbeit wurden solche großflächigen Metamaterial-Arrays erstmals mit einem primären Fokus auf die Lebenswissenschaften konzipiert und realisiert. So konnte mittels einer großflächigen SHA-MPA-Struktur eine signifikante Verstärkung von Analtybanden im MIR-Spektralbereich gezeigt werden und gleichzeitig ein robustes Konzept zur Vermeidung von Messartefakten etabliert werden. Dazu wurden in den Arrays selektiv durch das anregende Licht Plasmonenresonanzen stimuliert, so dass der reine Beitrag der plasmonischen Verstärkung zum Messsignal durch eine Differenzbildung ermittelt werden kann. Die Konzepte des SHA-MPA auch für chirale Messungen Nutzbar zu machen war ein weitere Schritt dieser Arbeit. Somit wurde erstmalig ein in Transmission arbeitendes chirales Metamaterial-Array realisiert, bei dem in nahezu resonanter Anregung die Lage der untersuchten Analytbanden und der Plasmonenresonanz im gleichen Spektralbereich lagen. Da es sich zudem um ein 2D-Metamaterial-Array handelt, welches erst durch die wiederholte Anordnung der Einheitszelle chiral wird, stellte es eines der Extremfälle der momentan in der wissenschaftlichen Forschung verwendeten möglichen Ansätze dar, ein VCD Signal durch oberflächenverstärkende Spektroskopie zu steigern. Hierbei wurde insbesondere eine unerwartet starke optische Aktivität des Metamaterial selbst beobachtet, welche zu den stärksten je gemessenen eines 2D-Arrays im MIR gehört. Zur Beantwortung der Frage, ob chirale Verstärkung in einem 2D-chiralen Metamaterial möglich ist, wurden die Metamaterial-Arrays mittels α-Pinene zu einem Sensor modifiziert. Es zeigte sich hier eine dem jeweiligen α-Pinene-Enantiomer entsprechende plasmonische Verschiebung unerwarteter Stärke. Die Verstärkung der Analytbanden selbst konnte ebenfalls mit Einschränkungen beobachtet werden. Die aus der Theorie unerwartete Ausbildung eines effektiven Mediums aus Array und Analyt überlagert diesen Effekt, und stellt in sich selbst ein völlig neuartiges Verhalten des Systems dar, welches neue Fragen der theoretischen Beschreibung dieses Systems eröffnet.

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Knipper, Richard: Plasmonische Metamaterial-Strukturen als Quellen gesteigerter Sensitivität in FT-IR- und VCD-Messsystemen. Jena 2019.

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