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Oberflächenplasmonenresonanz

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Oberflächenplasmonenresonanz

Die Oberflächenplasmonenresonanz (englisch surface plasmon resonance, kurz SPR) ist ein optisches Resonanzphänomen an der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem nichtleitenden Medium. Sie wird besonders häufig genutzt, um sehr kleine Änderungen des Brechungsindex nahe einer Metalloberfläche zu messen. Dadurch lassen sich zum Beispiel Adsorptionsvorgänge sowie Bindungen zwischen Biomolekülen in Echtzeit beobachten.

Dieser aiMOOC richtet sich vor allem an Lernende der gymnasialen Oberstufe sowie an Studienanfängerinnen und Studienanfänger in Physik, Chemie, Biochemie, Biotechnologie und Materialwissenschaft. Du brauchst Grundkenntnisse über Licht, Reflexion, elektromagnetische Wellen und den Aufbau von Atomen.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du erklären, was ein Oberflächenplasmon ist, wie Licht Oberflächenplasmonen anregen kann und warum dabei eine Resonanz entsteht. Du kannst den typischen SPR-Aufbau mit Prisma und dünnem Metallfilm beschreiben, eine Resonanzkurve deuten und den Zusammenhang zwischen Brechungsindexänderung und Messsignal erläutern. Außerdem kannst Du erklären, wie SPR in der Biosensorik zur Untersuchung von Bindung, Kinetik und Affinität eingesetzt wird und welche Grenzen das Verfahren besitzt.

Grundidee: Elektronen schwingen gemeinsam

Metalle wie Gold enthalten frei bewegliche Leitungselektronen. Werden diese Elektronen an einer Metalloberfläche gemeinsam angeregt, kann sich entlang der Grenzfläche zwischen Metall und Dielektrikum eine gekoppelte elektromagnetische Oberflächenwelle ausbilden. In der Optik spricht man bei der propagierenden Anregung meist von einem Oberflächenplasmon-Polariton.

Wichtig ist: Diese Welle breitet sich entlang der Oberfläche aus, während ihr elektromagnetisches Feld senkrecht zur Oberfläche stark abklingt. Dieses Feld heißt evaneszentes Feld. Genau deshalb reagiert SPR besonders empfindlich auf Veränderungen in unmittelbarer Nähe der Metalloberfläche.

Ein Plasmon ist also keine einzelne Elektronenschwingung. Es handelt sich um eine kollektive Anregung vieler Elektronen. Bei kleinen Metallnanopartikeln kann außerdem eine lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz auftreten. Diese wird meist mit LSPR abgekürzt und unterscheidet sich von der hier im Mittelpunkt stehenden propagierenden SPR an einer ebenen Metallfläche.

Warum entsteht eine Resonanz?

Damit Licht ein Oberflächenplasmon-Polariton effizient anregen kann, müssen nicht nur die Frequenzen, sondern auch die Impulsbedingungen zueinander passen. Bei direkter Beleuchtung einer ebenen Metalloberfläche gelingt diese Kopplung normalerweise nicht. Deshalb wird häufig ein Prisma verwendet.

Beim sogenannten Kretschmann-Aufbau trifft p-polarisiertes Licht durch ein Prisma auf einen sehr dünnen Metallfilm, häufig Gold. Unter Bedingungen der Totalreflexion entsteht an der Grenzfläche ein evaneszentes Lichtfeld. Bei einem bestimmten Einfallswinkel kann dieses Feld Energie an die Oberflächenwelle übertragen. Dann sinkt die Intensität des reflektierten Lichts deutlich: Das ist die messbare Resonanz.

Nur p-polarisiertes beziehungsweise TM-polarisiertes Licht kann in dieser Geometrie die passende elektrische Feldkomponente zur Anregung liefern. S-polarisiertes Licht erfüllt diese Bedingung nicht.

Die Abbildung zeigt zwei klassische Kopplungsgeometrien: die Kretschmann-Konfiguration und die Otto-Konfiguration. In der Praxis ist die Kretschmann-Anordnung besonders verbreitet, weil der dünne Metallfilm direkt mit dem Prisma gekoppelt ist.

Der typische Messaufbau

Ein SPR-Messgerät benötigt eine Lichtquelle, eine Polarisations- und Strahlführung, ein Kopplungselement wie ein Prisma, einen dünnen Metallfilm, die zu untersuchende Probe und einen Detektor. Die Probe liegt auf der dem Prisma abgewandten Seite des Metallfilms.

Der Metallfilm besteht häufig aus Gold. Gold ist chemisch relativ stabil und lässt sich gut mit funktionellen Oberflächenschichten für biologische Experimente kombinieren. Silber kann optisch besonders ausgeprägte Resonanzen liefern, ist jedoch chemisch weniger beständig.

Gemessen werden kann auf verschiedene Weise. Häufig wird der Einfallswinkel variiert und die Lage des Intensitätsminimums bestimmt. Alternativ kann bei festem Winkel die Intensität oder bei geeigneten Systemen die Resonanzwellenlänge verfolgt werden.

Was zeigt die Resonanzkurve?

Trägt man die reflektierte Lichtintensität gegen den Einfallswinkel auf, erhält man eine Kurve mit einem charakteristischen Minimum. Der Winkel dieses Minimums wird als Resonanzwinkel bezeichnet. Ändert sich der Brechungsindex direkt an der Metalloberfläche, verschiebt sich die Resonanzbedingung und damit die Lage des Minimums.

Diese Verschiebung ist die Grundlage der Sensorfunktion. SPR misst daher nicht direkt „ein bestimmtes Molekül“, sondern zunächst eine optische Änderung an der Grenzfläche. Selektiv wird der Sensor erst durch eine geeignete Oberflächenchemie, zum Beispiel durch immobilisierte Antikörper, Rezeptoren oder andere Liganden.

SPR als Biosensor

In einem typischen Biosensor-Experiment wird ein Bindungspartner, der Ligand, auf der Sensoroberfläche immobilisiert. Ein zweiter Bindungspartner, der Analyt, wird in Lösung über diese Oberfläche geleitet. Bindet der Analyt an den Liganden, verändert sich der lokale Brechungsindex in Oberflächennähe. Das SPR-Signal ändert sich.

Weil keine Fluoreszenzmarkierung oder radioaktive Markierung am Analyten erforderlich ist, wird SPR häufig als markierungsfreie Messmethode bezeichnet. Markierungsfrei bedeutet jedoch nicht, dass keine Probenvorbereitung nötig ist: Die Sensoroberfläche muss passend vorbereitet und das Experiment sorgfältig kontrolliert werden.

Sensorgramm: Bindung über die Zeit

Bei biomolekularen SPR-Experimenten wird das Signal häufig gegen die Zeit dargestellt. Diese Kurve heißt Sensorgramm. Während der Assoziationsphase strömt Analyt über die Oberfläche und bindet an den Liganden. Das Signal steigt. Wird anschließend analytenfreier Puffer über die Oberfläche geleitet, beginnt die Dissoziationsphase; gebundener Analyt löst sich wieder und das Signal fällt.

Für ein einfaches 1:1-Bindungsmodell werden häufig eine Assoziationsratenkonstante $k_{a}$ und eine Dissoziationsratenkonstante $k_{d}$ bestimmt. Daraus kann die Gleichgewichts-Dissoziationskonstante berechnet werden:

K_{D} = \frac{k_{d}}{k_{a}}

Ein kleinerer Wert von $K_{D}$ bedeutet in diesem Modell eine höhere Affinität. Diese Aussage ist nur sinnvoll, wenn das verwendete Bindungsmodell das Experiment ausreichend beschreibt. Komplexe Wechselwirkungen können andere Modelle erfordern.

Vom Laborgerät zur Anwendung

SPR wird in Forschung und Entwicklung eingesetzt, um zum Beispiel Protein-Protein-, Antigen-Antikörper-, Protein-DNA- oder Wirkstoff-Protein-Wechselwirkungen zu untersuchen. Auch Adsorption an Oberflächen, Beschichtungsprozesse und Materialeigenschaften können analysiert werden.

Typische Fragestellungen sind: Bindet ein Molekül überhaupt an einen bestimmten Partner? Wie schnell entsteht die Bindung? Wie schnell löst sie sich wieder? Wie stark ist die Affinität? Wie verändert eine Oberflächenbeschichtung den lokalen Brechungsindex?

Stärken und Grenzen

Die große Stärke von SPR liegt in der Echtzeitmessung und der hohen Empfindlichkeit für Veränderungen direkt an der Sensoroberfläche. Viele biomolekulare Wechselwirkungen können ohne zusätzliche Markierung verfolgt werden.

Die Methode besitzt aber auch Grenzen. Änderungen der Temperatur oder der Zusammensetzung des Puffers können den Brechungsindex verändern. Unspezifische Bindung kann ein scheinbares Signal erzeugen. Bei sehr schnellen Bindungen kann der Stofftransport zur Oberfläche die gemessene Kinetik beeinflussen. Außerdem kann die Immobilisierung eines Liganden dessen Verhalten verändern. Gute Referenzmessungen und ein geeignetes mathematisches Modell sind deshalb entscheidend.

SPR, LSPR und verwandte Begriffe

SPR bezeichnet häufig die Resonanz einer propagierenden Oberflächenwelle an einer ausgedehnten Metall-Dielektrikum-Grenzfläche. LSPR bezeichnet dagegen lokalisierte Resonanzen an metallischen Nanostrukturen oder Nanopartikeln. Beide Effekte beruhen auf kollektiven Elektronenbewegungen, unterscheiden sich aber in Geometrie, Feldverteilung und Messverfahren.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

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Was wird bei der Oberflächenplasmonenresonanz kollektiv angeregt? (Leitungselektronen an einer Metalloberfläche) (!Atomkerne im Prisma) (!Neutronen im Metall) (!Moleküle im Detektor)

Welche Polarisation wird im klassischen Prisma-SPR-Aufbau zur Anregung benötigt? (p- beziehungsweise TM-polarisiertes Licht) (!s-polarisiertes Licht) (!Unpolarisiertes Licht zwingend) (!Zirkular polarisiertes Licht ausschließlich)

Was kennzeichnet den Resonanzwinkel bei einer winkelabhängigen SPR-Messung? (Ein Minimum der reflektierten Lichtintensität) (!Ein Maximum der Probentemperatur) (!Das vollständige Verschwinden des Metallfilms) (!Eine Verdopplung der Lichtfrequenz)

Welche Größe beeinflusst die SPR-Resonanz besonders stark? (Der Brechungsindex nahe der Metalloberfläche) (!Die Masse des Prismas als Ganzes) (!Die Farbe des Gerätegehäuses) (!Die Raumgröße des Labors)

Welches Metall wird häufig für SPR-Sensoroberflächen verwendet? (Gold) (!Natrium) (!Calcium) (!Magnesium)

Wie heißt der auf der Sensoroberfläche immobilisierte Bindungspartner häufig? (Ligand) (!Photon) (!Prisma) (!Detektor)

Was geschieht in der Assoziationsphase eines Sensorgramms? (Analyt bindet an den immobilisierten Liganden) (!Der Metallfilm wird entfernt) (!Das Prisma wird aufgelöst) (!Der Detektor erzeugt neue Moleküle)

Wie lautet für ein einfaches 1:1-Modell die Beziehung zwischen KD, kd und ka? (KD ist kd geteilt durch ka) (!KD ist ka geteilt durch kd) (!KD ist ka plus kd) (!KD ist ka mal kd)

Was bedeutet markierungsfreie Messung bei SPR? (Der Analyt muss nicht mit einem zusätzlichen optischen oder radioaktiven Marker versehen sein) (!Die Probe benötigt niemals Vorbereitung) (!Es wird kein Licht verwendet) (!Es gibt keine Sensoroberfläche)

Welche Aussage beschreibt eine wichtige mögliche Fehlerquelle bei SPR? (Unspezifische Bindung kann ein zusätzliches Signal erzeugen) (!Der Brechungsindex ist grundsätzlich bedeutungslos) (!Temperatur kann das Signal nie beeinflussen) (!Referenzmessungen sind immer überflüssig)

Memory

Oberflächenplasmon	kollektive Elektronenschwingung an einer Grenzfläche
Kretschmann-Konfiguration	dünner Metallfilm direkt am Prisma
Evaneszentes Feld	Feld mit starkem Abfall senkrecht zur Oberfläche
Resonanzwinkel	Lage des Reflexionsminimums
Ligand	immobilisierter Bindungspartner
Analyt	gelöster untersuchter Bindungspartner
Sensorgramm	SPR-Signal als Funktion der Zeit
Dissoziation	Ablösen eines gebundenen Analyten

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Kretschmann-Konfiguration	Metallfilm liegt direkt am Prisma
Otto-Konfiguration	Zwischen Prisma und Metall befindet sich ein Spalt
Assoziation	Bindung des Analyten an den Liganden
Dissoziation	Ablösen des Analyten vom Liganden
SPR	propagierende Oberflächenwelle an einer ausgedehnten Grenzfläche
LSPR	lokalisierte Resonanz an einer Nanostruktur

Kreuzworträtsel

Plasmon	Wie heißt die kollektive elektronische Anregung?
Kretschmann	Wie heißt die verbreitete Prisma-Konfiguration mit direkt aufgebrachtem Metallfilm?
Evaneszenz	Welcher Begriff beschreibt das starke Abklingen des Nahfelds von der Oberfläche weg?
Ligand	Wie heißt der häufig immobilisierte Bindungspartner?
Analyt	Wie heißt der Bindungspartner in der vorbeiströmenden Probe?
Sensorgramm	Wie heißt die Darstellung des SPR-Signals über der Zeit?

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Lückentext

Bei der Oberflächenplasmonenresonanz werden kollektive Schwingungen von

an einer Metalloberfläche angeregt. Das elektromagnetische Feld der Oberflächenwelle fällt senkrecht zur Oberfläche

ab. In der verbreiteten Kretschmann-Konfiguration befindet sich ein dünner

direkt am Prisma. Für die optische Anregung wird im klassischen Aufbau

Licht verwendet. Bei Resonanz zeigt die reflektierte Lichtintensität ein deutliches

. Eine Änderung des Brechungsindex nahe der Oberfläche verschiebt den

. In einem Biosensor wird häufig ein Bindungspartner als

auf der Sensorfläche immobilisiert. Der gelöste zweite Bindungspartner wird als

bezeichnet. Die zeitabhängige Messkurve heißt

. Während der Assoziationsphase nimmt die Menge gebundener Moleküle meist

. Bei der Dissoziation lösen sich gebundene Moleküle wieder von der

. Für ein einfaches 1:1-Modell ergibt sich die Affinitätsgröße KD aus kd geteilt durch

.

Offene Aufgaben

Leicht

Skizze eines SPR-Aufbaus: Zeichne Prisma, Metallfilm, Probe, einfallenden und reflektierten Lichtstrahl. Markiere, wo die Resonanz entsteht.
Begriffsnetz SPR: Erstelle ein Begriffsnetz mit den Wörtern Oberflächenplasmon, Brechungsindex, Resonanzwinkel, Ligand, Analyt und Sensorgramm.
Medienanalyse SPR: Wähle eine der Abbildungen aus dem Lerntext und erkläre in fünf bis sieben Sätzen, welche Information sie vermittelt.
Alltagsvergleich Resonanz: Finde ein anschauliches Beispiel für Resonanz aus dem Alltag und erkläre anschließend, worin die Gemeinsamkeit und der Unterschied zur SPR liegen.

Standard

Sensorgramm erklären: Zeichne ein vereinfachtes Sensorgramm mit Basislinie, Assoziation und Dissoziation und beschreibe die drei Bereiche.
SPR und LSPR vergleichen: Erstelle eine Tabelle mit Gemeinsamkeiten und Unterschieden von SPR und LSPR in Bezug auf Geometrie, Feldverteilung und Anwendung.
Biosensor planen: Entwirf konzeptionell einen SPR-Sensor für eine bestimmte biomolekulare Bindung. Lege fest, welcher Partner Ligand und welcher Analyt sein soll.
Fehlerquellen untersuchen: Entwickle ein kurzes Versuchsprotokoll, mit dem Du unspezifische Bindung oder Brechungsindexeffekte des Puffers erkennen könntest.

Schwer

Kinetik auswerten: Erkläre anhand selbst gewählter Beispielwerte, wie sich unterschiedliche Assoziations- und Dissoziationsraten auf zwei Sensorgramme auswirken würden.
Modellkritik SPR: Untersuche, warum ein einfaches 1:1-Bindungsmodell bei multivalenten oder transportlimitierten Wechselwirkungen unzureichend sein kann.
Forschungsrecherche SPR: Suche eine aktuelle wissenschaftliche Arbeit, in der SPR eingesetzt wird. Fasse Forschungsfrage, Messprinzip, Ergebnis und mögliche Einschränkungen zusammen.
Erklärvideo Oberflächenplasmonenresonanz: Produziere ein zwei- bis vierminütiges Erklärvideo, das physikalisches Prinzip, Messaufbau und eine Anwendung verständlich verbindet.

Lernkontrolle

Resonanzbedingung erklären: Begründe, warum ein Prisma die Anregung eines Oberflächenplasmons erleichtert und warum ein bestimmter Einfallswinkel eine besondere Rolle spielt.
Brechungsindex und Signal: Erkläre, wie die Bindung eines Moleküls an der Sensoroberfläche zu einer messbaren Verschiebung der SPR-Resonanz führen kann.
Sensorgramm interpretieren: Vergleiche zwei hypothetische Sensorgramme, von denen eines schnell ansteigt und schnell abfällt, während das andere langsam ansteigt und langsam abfällt. Leite qualitative Aussagen zur Kinetik ab.
Kontrollexperiment entwickeln: Plane ein Referenzexperiment, mit dem Du unspezifische Bindung von einer spezifischen Ligand-Analyt-Wechselwirkung unterscheiden kannst.
Methodenwahl begründen: Beurteile für eine Fragestellung zur Echtzeit-Bindung zweier Proteine, welche Vorteile SPR gegenüber einem rein endpunktbasierten Nachweis bieten kann.
Grenzen der Aussagekraft: Erkläre, warum ein starkes SPR-Signal allein noch nicht beweist, dass ausschließlich die gewünschte spezifische Bindung stattgefunden hat.
Transfer Nanotechnologie: Übertrage das Grundprinzip der Empfindlichkeit gegenüber der lokalen dielektrischen Umgebung auf einen Sensor mit metallischen Nanopartikeln und erläutere, was sich gegenüber klassischer SPR verändert.

Lernnachweis

Für einen erfolgreichen Lernnachweis solltest Du das physikalische Prinzip der Oberflächenplasmonenresonanz in eigenen Worten erklären können. Du solltest den Kretschmann-Aufbau beschriften, die Rolle von p-polarisiertem Licht und evaneszentem Feld begründen, eine Resonanzkurve und ein einfaches Sensorgramm interpretieren sowie Ligand, Analyt, Assoziation, Dissoziation und Affinität korrekt verwenden können. Außerdem solltest Du mindestens zwei Anwendungen und mehrere Fehlerquellen der Methode erklären und zwischen SPR und LSPR unterscheiden können.

OERs zum Thema

Freie Medien und Vertiefung

Weitere frei nutzbare Abbildungen und Animationen findest Du in der Wikimedia-Commons-Kategorie Surface plasmon resonance. Für eine fachliche Vertiefung eignen sich außerdem die Artikel Oberflächenplasmon, Plasmonik, Biosensor und Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie.

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