Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie: Unterschied zwischen den Versionen
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Die '''Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie''' ({{enS|surface plasmon resonance spectroscopy}}, SPR-Spektroskopie) ist ein [[Spektroskopie|spektroskopisches]] [[Analyseverfahren]], welches | Die '''Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie''' ({{enS|surface plasmon resonance spectroscopy}}, SPR-Spektroskopie) ist ein [[Spektroskopie|spektroskopisches]] [[Analyseverfahren]], welches den Brechungsindex eines Analyten sehr hochaufgelöst misst. Es kann für die quantitativen Bestimmung von [[Schichtdicke (Beschichten)|Schichtdicken]] im Nanometerbereich verwendet werden. Die Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie findet insbesondere in der [[Materialwissenschaft]] bei der Messung der [[Adsorption]] von Stoffen und in der [[Biochemie]] im Rahmen von [[Chiplabor]]-Techniken eine Anwendung. | ||
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Mit [[Polarisation#Polarisation elektromagnetischer Wellen|TM-polarisiertem]] [[Licht]] werden an einer dünnen [[Metall]]schicht an der [[Grenzfläche]] Metall/[[Analyt]] [[Oberflächenplasmon]]en angeregt.<ref>X. Guo: ''Surface plasmon resonance based biosensor technique: a review.'' In: ''Journal of biophotonics.'' Band 5, Nummer 7, Juli 2012, {{ISSN|1864-0648}}, S. 483–501, [[doi:10.1002/jbio.201200015]], PMID 22467335.</ref><ref>S. Roh, T. Chung, B. Lee: ''Overview of the characteristics of micro- and nano-structured surface plasmon resonance sensors.'' In: ''Sensors | Mit [[Polarisation#Polarisation elektromagnetischer Wellen|TM-polarisiertem]] [[Licht]] werden an einer dünnen [[Metall]]schicht an der [[Grenzfläche]] Metall/[[Analyt]] [[Oberflächenplasmon]]en angeregt.<ref>X. Guo: ''Surface plasmon resonance based biosensor technique: a review.'' In: ''Journal of biophotonics.'' Band 5, Nummer 7, Juli 2012, {{ISSN|1864-0648}}, S. 483–501, [[doi:10.1002/jbio.201200015]], PMID 22467335.</ref><ref>S. Roh, T. Chung, B. Lee: ''Overview of the characteristics of micro- and nano-structured surface plasmon resonance sensors.'' In: ''Sensors''. Band 11, Nummer 2, 2011, S. 1565–1588, [[doi:10.3390/s110201565]], PMID 22319369, {{PMC|3274020}}.</ref> Dies geschieht durch Einstrahlung mittels eines [[Prisma (Optik)|Prismas]] in [[Totalreflexion]] auf der dem Analyten abgewandten Seite. Sind der Brechungsindex des Analyten und des Prismas sowie die Wellenlänge das Lichts exakt aufeinander abgestimmt, so weist das Intensitätswinkelspektrum des totalreflektierten Lichtes bei einem bestimmten Winkel ein Minimum auf. Der [[Brechungsindex]] der verwendeten Materialien und die Wellenlänge des Lichts beeinflussen dabei empfindlich die Anregungsbedingungen und damit den Winkel des Minimums.<ref>C. J. Fee: ''Label-free, real-time interaction and adsorption analysis 1: surface plasmon resonance.'' In: ''Methods in molecular biology.'' Band 996, 2013, S. 287–312, {{DOI|10.1007/978-1-62703-354-1_17}}, PMID 23504431.</ref> | ||
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Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten der Anordnung: Zum einen die Otto-Methode,<ref>A. Otto: ''Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection.'' In: ''Zeitschrift für Physik.'' Band 216, 1968, S. 398–410, [[doi:10.1007/BF01391532]].</ref> bei der ein Luftspalt zwischen Prisma und dem zu untersuchenden Metall gelassen wird. Zum anderen die Kretschmann-Methode,<ref>E. Kretschmann: ''Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflächenplasmaschwingungen.'' | Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten der Anordnung: Zum einen die Otto-Methode,<ref>A. Otto: ''Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection.'' In: ''Zeitschrift für Physik.'' Band 216, 1968, S. 398–410, [[doi:10.1007/BF01391532]].</ref> bei der ein Luftspalt zwischen Prisma und dem zu untersuchenden Metall gelassen wird. Zum anderen die Kretschmann-Methode,<ref>E. Kretschmann: ''Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflächenplasmaschwingungen.'' In: ''Zeitschrift für Physik'', Band 241, 1971, S. 313–324, [[doi:10.1007/BF01395428]].</ref> bei der ein dünner Metallfilm auf das Prisma aufgebracht wird. Neben den Versuchsanordnungen mit Prismen besteht auch die Möglichkeit einen Gitterkoppler zu verwenden. | ||
Es gibt drei populäre Methoden eine Brechungsindexänderung im Analyten zu messen. Bei der ersten wird die Intensität der Reflexion bei einem festen Einstrahlwinkel aufgezeichnet. Bei der zweiten wird der Einstrahlwinkel variiert und die Lage des Minimums der Reflexion aufgezeichnet. Bei der dritten wird die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts variiert und die spektrale Lage des Minimus aufgezeichnet. | |||
== Anwendung == | == Anwendung == | ||
Die Technologie wird derzeit intensiv in der [[Arzneimittel]]forschung eingesetzt, da sich mit ihr die Bindungseigenschaften potentieller neuer Wirkstoffe untersuchen und überprüfen lassen.<ref>S. G. Patching: ''Surface plasmon resonance spectroscopy for characterisation of membrane protein-ligand interactions and its potential for drug discovery.'' In: ''Biochimica et | Die Technologie wird derzeit intensiv in der [[Arzneimittel]]forschung eingesetzt, da sich mit ihr die Bindungseigenschaften potentieller neuer Wirkstoffe untersuchen und überprüfen lassen.<ref>S. G. Patching: ''Surface plasmon resonance spectroscopy for characterisation of membrane protein-ligand interactions and its potential for drug discovery.'' In: ''[[Biochimica et Biophysica Acta]].'' Band 1838, Nummer 1 Pt A, Januar 2014, S. 43–55, [[doi:10.1016/j.bbamem.2013.04.028]], PMID 23665295.</ref> Verwendung findet die Methode daher typischerweise als unabhängiges ([[orthogonal]]es) Sekundär-Experiment nach dem [[High-Throughput-Screening]]. | ||
Die Kretschmann-Methode findet auch in der Biochemie ihre Anwendung, z. B. zur Bestimmung von [[Protein-Protein-Interaktion]]en (oft verwendet beim sogenannten [[Epitope Mapping]] mit Antikörpern)<ref>P. Säfsten: ''Epitope mapping by surface plasmon resonance.'' In: ''Methods Mol Biol.'' Band 524, 2009, | Die Kretschmann-Methode findet auch in der Biochemie ihre Anwendung, z. B. zur Bestimmung von [[Protein-Protein-Interaktion]]en (oft verwendet beim sogenannten [[Epitope Mapping]] mit Antikörpern)<ref>P. Säfsten: ''Epitope mapping by surface plasmon resonance.'' In: ''Methods Mol Biol.'', Band 524, 2009, S. 67–76, {{DOI|10.1007/978-1-59745-450-6_5}}, PMID 19377937.</ref> oder [[Protein-DNA-Interaktion]]en.<ref>H. Sípová, J. Homola: ''Surface plasmon resonance sensing of nucleic acids: a review.'' In: ''Analytica chimica acta.'' Band 773, April 2013, {{ISSN|1873-4324}}, S. 9–23, [[doi:10.1016/j.aca.2012.12.040]], PMID 23561902.</ref> Hier wird auf ein Prisma mit einem Goldfilm eine Membran präpariert, die biologische Moleküle absorbieren kann. Die Bedeckung der Membran mit Molekülen verändert den [[Brechungsindex]] der Schicht, die mit dieser Methode sehr empfindlich gemessen werden kann. | ||
Weitere Anwendung findet die SPR-Spektroskopie in der Weiterentwicklung von Oberflächenbeschichtungen von medizinischen Implantaten. Zur biologischen Inaktivierung, zum Beispiel gegenüber körpereigenen Proteinen, besteht die Möglichkeit, diese mit einer [[Streptavidin]]-Schicht zu besetzen. Die Kinetik dieser Beschichtung lässt sich an Referenzmaterialien mittels SPR nachvollziehen.<ref>{{Literatur|Autor=M. Lehnert, M. Gorbahn, M. Klein, B. Al-Nawas, I. Köper, W. Knoll, M. Veith|Titel=Streptavidin-coated TiO<sub>2</sub> surfaces are biologically inert: Protein adsorption and osteoblast adhesion studies|Sammelwerk=Journal of Biomedical Materials Research Part A|Band=100A|Nummer=2| | Weitere Anwendung findet die SPR-Spektroskopie in der Weiterentwicklung von Oberflächenbeschichtungen von medizinischen Implantaten. Zur biologischen Inaktivierung, zum Beispiel gegenüber körpereigenen Proteinen, besteht die Möglichkeit, diese mit einer [[Streptavidin]]-Schicht zu besetzen. Die Kinetik dieser Beschichtung lässt sich an Referenzmaterialien mittels SPR nachvollziehen.<ref>{{Literatur |Autor=M. Lehnert, M. Gorbahn, M. Klein, B. Al-Nawas, I. Köper, W. Knoll, M. Veith |Titel=Streptavidin-coated TiO<sub>2</sub> surfaces are biologically inert: Protein adsorption and osteoblast adhesion studies |Sammelwerk=Journal of Biomedical Materials Research Part A |Band=100A |Nummer=2 |Datum=2012-02-01 |Seiten=388–395 |DOI=10.1002/jbm.a.33281}}</ref> Der Vorteil dieser Methode ist, dass die Bindungskinetik ohne Beeinflussung der Analyten in Echtzeit nachvollzogen werden kann. | ||
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* R. B. M. Schasfoort, A. J. Tudos: ''Handbook of surface plasmon resonance.'' Royal Society of Chemistry, Cambridge 2008, ISBN 978-0-85404-267-8 ({{Google Buch| BuchID=4T7ghXW3HUQC }}). | |Autor=Rudolf W. Kessler | ||
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* R. B. M. Schasfoort, A. J. Tudos: ''Handbook of surface plasmon resonance.'' Royal Society of Chemistry, Cambridge 2008, ISBN 978-0-85404-267-8 ({{Google Buch |BuchID=4T7ghXW3HUQC}}). | |||
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Aktuelle Version vom 19. Januar 2022, 17:38 Uhr
Die Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie (englisch surface plasmon resonance spectroscopy, SPR-Spektroskopie) ist ein spektroskopisches Analyseverfahren, welches den Brechungsindex eines Analyten sehr hochaufgelöst misst. Es kann für die quantitativen Bestimmung von Schichtdicken im Nanometerbereich verwendet werden. Die Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie findet insbesondere in der Materialwissenschaft bei der Messung der Adsorption von Stoffen und in der Biochemie im Rahmen von Chiplabor-Techniken eine Anwendung.
Funktionsweise
Mit TM-polarisiertem Licht werden an einer dünnen Metallschicht an der Grenzfläche Metall/Analyt Oberflächenplasmonen angeregt.[1][2] Dies geschieht durch Einstrahlung mittels eines Prismas in Totalreflexion auf der dem Analyten abgewandten Seite. Sind der Brechungsindex des Analyten und des Prismas sowie die Wellenlänge das Lichts exakt aufeinander abgestimmt, so weist das Intensitätswinkelspektrum des totalreflektierten Lichtes bei einem bestimmten Winkel ein Minimum auf. Der Brechungsindex der verwendeten Materialien und die Wellenlänge des Lichts beeinflussen dabei empfindlich die Anregungsbedingungen und damit den Winkel des Minimums.[3]
Versuchsaufbau
Otto-Anordnung
Kretschmann-Anordnung
Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten der Anordnung: Zum einen die Otto-Methode,[4] bei der ein Luftspalt zwischen Prisma und dem zu untersuchenden Metall gelassen wird. Zum anderen die Kretschmann-Methode,[5] bei der ein dünner Metallfilm auf das Prisma aufgebracht wird. Neben den Versuchsanordnungen mit Prismen besteht auch die Möglichkeit einen Gitterkoppler zu verwenden.
Es gibt drei populäre Methoden eine Brechungsindexänderung im Analyten zu messen. Bei der ersten wird die Intensität der Reflexion bei einem festen Einstrahlwinkel aufgezeichnet. Bei der zweiten wird der Einstrahlwinkel variiert und die Lage des Minimums der Reflexion aufgezeichnet. Bei der dritten wird die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts variiert und die spektrale Lage des Minimus aufgezeichnet.
Anwendung
Die Technologie wird derzeit intensiv in der Arzneimittelforschung eingesetzt, da sich mit ihr die Bindungseigenschaften potentieller neuer Wirkstoffe untersuchen und überprüfen lassen.[6] Verwendung findet die Methode daher typischerweise als unabhängiges (orthogonales) Sekundär-Experiment nach dem High-Throughput-Screening.
Die Kretschmann-Methode findet auch in der Biochemie ihre Anwendung, z. B. zur Bestimmung von Protein-Protein-Interaktionen (oft verwendet beim sogenannten Epitope Mapping mit Antikörpern)[7] oder Protein-DNA-Interaktionen.[8] Hier wird auf ein Prisma mit einem Goldfilm eine Membran präpariert, die biologische Moleküle absorbieren kann. Die Bedeckung der Membran mit Molekülen verändert den Brechungsindex der Schicht, die mit dieser Methode sehr empfindlich gemessen werden kann.
Weitere Anwendung findet die SPR-Spektroskopie in der Weiterentwicklung von Oberflächenbeschichtungen von medizinischen Implantaten. Zur biologischen Inaktivierung, zum Beispiel gegenüber körpereigenen Proteinen, besteht die Möglichkeit, diese mit einer Streptavidin-Schicht zu besetzen. Die Kinetik dieser Beschichtung lässt sich an Referenzmaterialien mittels SPR nachvollziehen.[9] Der Vorteil dieser Methode ist, dass die Bindungskinetik ohne Beeinflussung der Analyten in Echtzeit nachvollzogen werden kann.
Siehe auch
- ATR-Spektroskopie
Literatur
- Rudolf W. Kessler: Prozessanalytik: Strategien und Fallbeispiele aus der industriellen Praxis. Wiley-VCH, 2006, ISBN 978-3-527-31196-5, S. 178–179 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
- R. B. M. Schasfoort, A. J. Tudos: Handbook of surface plasmon resonance. Royal Society of Chemistry, Cambridge 2008, ISBN 978-0-85404-267-8 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
Einzelnachweise
- ↑ X. Guo: Surface plasmon resonance based biosensor technique: a review. In: Journal of biophotonics. Band 5, Nummer 7, Juli 2012, ISSN 1864-0648, S. 483–501, doi:10.1002/jbio.201200015, PMID 22467335.
- ↑ S. Roh, T. Chung, B. Lee: Overview of the characteristics of micro- and nano-structured surface plasmon resonance sensors. In: Sensors. Band 11, Nummer 2, 2011, S. 1565–1588, doi:10.3390/s110201565, PMID 22319369, PMC 3274020 (freier Volltext).
- ↑ C. J. Fee: Label-free, real-time interaction and adsorption analysis 1: surface plasmon resonance. In: Methods in molecular biology. Band 996, 2013, S. 287–312, doi:10.1007/978-1-62703-354-1_17, PMID 23504431.
- ↑ A. Otto: Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection. In: Zeitschrift für Physik. Band 216, 1968, S. 398–410, doi:10.1007/BF01391532.
- ↑ E. Kretschmann: Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflächenplasmaschwingungen. In: Zeitschrift für Physik, Band 241, 1971, S. 313–324, doi:10.1007/BF01395428.
- ↑ S. G. Patching: Surface plasmon resonance spectroscopy for characterisation of membrane protein-ligand interactions and its potential for drug discovery. In: Biochimica et Biophysica Acta. Band 1838, Nummer 1 Pt A, Januar 2014, S. 43–55, doi:10.1016/j.bbamem.2013.04.028, PMID 23665295.
- ↑ P. Säfsten: Epitope mapping by surface plasmon resonance. In: Methods Mol Biol., Band 524, 2009, S. 67–76, doi:10.1007/978-1-59745-450-6_5, PMID 19377937.
- ↑ H. Sípová, J. Homola: Surface plasmon resonance sensing of nucleic acids: a review. In: Analytica chimica acta. Band 773, April 2013, ISSN 1873-4324, S. 9–23, doi:10.1016/j.aca.2012.12.040, PMID 23561902.
- ↑ M. Lehnert, M. Gorbahn, M. Klein, B. Al-Nawas, I. Köper, W. Knoll, M. Veith: Streptavidin-coated TiO2 surfaces are biologically inert: Protein adsorption and osteoblast adhesion studies. In: Journal of Biomedical Materials Research Part A. 100A, Nr. 2, 1. Februar 2012, S. 388–395, doi:10.1002/jbm.a.33281.
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