Kostengünstige, flexible Substrate für die nanoplasmonische Sensorik
Dank ihrer unübertroffenen Fähigkeit, Licht im Nanometerbereich zu bündeln, haben plasmonische Strukturen, insbesondere was deren Verwendung bei verschiedenen sensorischen Anwendungen betrifft, eine wichtige Rolle auf dem Gebiet der Nanotechnologie gespielt. „Die Adsorption plasmonischer Nanopartikel an Substrate in kontrollierter Weise ist ein entscheidender Prozess für die Herstellung nanoplasmonischer Geräte, bei denen Nanopartikel die elektromagnetischen Felder verstärken, um eine bessere Leistung zu erzielen“, sagt Luis Liz-Marzán, Projektkoordinator des EU-finanzierten Projekts PLASMAQUO. Das PLASMAQUO-Projekt zielte auf die Entwicklung von nanostrukturierten Materialien ab, die auf plasmonischen Goldnanopartikeln als Substrate für eine ultrasensitive Detektion der Kommunikation zwischen lebenden Zellen basieren. „Wir fokussierten uns insbesondere auf ein bakterielles Phänomen bei der Kommunikation von Zelle zu Zelle, das als ,Quorum Sensing‘ bezeichnet wird und das auf der Produktion, Freisetzung und Erfassung kleiner Signalmoleküle basiert, welche Bakterien die Überwachung ihrer lokalen Umgebung und Populationsdichte ermöglichen“, erklärt Liz-Marzán. Über das „Quorum Sensing“ werden bekanntermaßen eine Vielzahl mikrobieller physiologischer Prozesse einschließlich der Virulenz und der Bildung bakterieller Biofilme reguliert, die unter Mikroben die erfolgreichste Kolonisationsform darstellen. „Da Quorum Sensing und Biofilme eng mit der Pathogenese verschiedener hartnäckiger Infektionskrankheiten wie z. B. einer Lungenentzündung bei zystischer Fibrose verbunden sind, ist die Entwicklung neuer Strategien für die nicht invasive Analyse des Quorum Sensing in lebenden bakteriellen Populationen erforderlich“, sagt Liz-Marzán. „Die Fähigkeit, diese Form der chemischen Kommunikation innerhalb von mikrobiellen Populationen zu visualisieren, wird unser Verständnis von deren Funktionen erweitern und könnte zu neuen antibakteriellen therapeutischen Strategien mit relevanter biomedizinischer Anwendbarkeit führen.“ Über den Stand der Technik hinaus Die Projektforscher griffen auf eine oberflächenverstärkte Raman-Streuungsspektroskopie (Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) zurück, ein Analyseverfahren, das auf der Erzeugung hochelektrischer Felder an der Oberfläche metallischer Nanopartikel durch Beleuchtung unter Schwingungsbedingungen von Oberflächenplasmonen basiert. In Anbetracht der inhärenten Einschränkungen des SERS-Verfahrens ist eine zuverlässige sensorische Erfassung in komplexen biologischen Medien aufgrund des Hintergrundrauschens durch interferierende Spezies und der unspezifischen Adsorption von Biomolekülen, welche die Interaktion von Zielmolekülen mit der SERS-aktiven Oberfläche verhindern kann, allerdings nach wie vor eine Herausforderung. Zur Überwindung dieser Herausforderung wurden über PLASMAQUO nanostrukturierte plasmonische Substrate als Plattformen für die Kultivierung von Bakterienkulturen und für die markierungsfreie In-situ-Detektion abgesonderter Signalmoleküle erstellt, um auf einen plasmonischen Sensor hinzuarbeiten. Um die Kontamination des optischen Sensors mit anderen in dem Nährmedium vorhandenen Biomolekülen zu verhindern, erstellte das Team zellkompatible Hybridmaterialien, die aus einer plasmonischen Komponente innerhalb einer porösen Matrix bestanden. Diese fungiert als molekularer Sieb, um die Diffusion in Richtung der metallischen Nanopartikel einzuschränken. „PLASMAQUO ging im Hinblick auf die Synthese kolloidaler Nanopartikel, die Untersuchung des Verhaltens in der kolloidalen Phase und das Verständnis von SERS-Mechanismen für die Gestaltung neuer, hocheffizienter plasmonischer Nanopartikel über den Stand der Technik hinaus“, sagt Liz-Marzán. Den Weg ebnen Diese Arbeit ermöglicht es den Forschern, die Leistung verschiedener zweckbestimmter plasmonischer Materialien für die Detektion und Abbildung des Quorum Sensing in Biofilmen des opportunistischen menschlichen Erregers Pseudomonas Aeruginosa zu demonstrieren. Laut Liz-Marzán ebnete das Projekt den Weg für die Anwendung plasmonischer Sensoren in verschiedenen Gebieten. Diese lassen sich beispielsweise in Implantate, Katheter oder implantierbare medizinische Geräte integrieren, um in nicht invasiver Weise eine mögliche Infektion zu überwachen. „Angesichts der Resistenz bakterieller Biofilme gegenüber chemischen Reinigungsmitteln haben diese weitreichende Implikationen für verschiedene Industrien“, merkt Liz-Marzán an. „Die Anwendung plasmonischer Sensoren für die In-situ-Detektion über portable Raman-Geräte könnte eine Früherkennung ermöglichen und deren Vernichtung begünstigen.“
Schlüsselbegriffe
PLASMAQUO, SERS, plasmonische, nanostrukturierte Substrate, antibakterielle Strategie
