Plasmonische Effekte in Metall-Nanostruktur-Graphen-Hybriden: Chemische Funktionalisierung und Einsatz in der Sensorik

• Antragsteller: Professor Dr. Kannan Balasubramanian
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 425219379

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen dieses Vorhabens wurden analytische Methoden basierend auf Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Spektroskopie entwickelt, bei denen die Sensorschichten aus einer Kombination von einzelnen Graphenmonolagen und plasmonischen Goldnanostrukturen bestehen. Auf der einen Seite, haben wir das Herstellungsverfahren optimiert um wiederverwendbare SPR-Sensoren zu erzielen, wo die biomolekulare Erkennung an der Graphen-Flüssigkeits-Grenzfläche stattfindet. Auf der anderen Seite, konnte die Graphenschicht erfolgreich als Elektrode eingesetzt werden, um die Kinetik von elektrochemischen Prozessen an der Graphen-Elektrolyt-Grenzfläche in Echtzeit mit Hilfe des SPR-Sensorsignals zu verfolgen. Im ersten Teil des Projekts wurde eine Herstellungsmethode zur Realisierung von Graphen-basierten SPR-Sensoren entwickelt. Die auf diesem Weg erzielten Sensoren können auf hohen Temperaturen behandelt werden, welches eine Grundvoraussetzung für die Gewinnung von verunreinigungsfreien stabilen Graphenoberflächen darstellt. Speziell handelt es sich bei dieser Methode um ein mehrstufiges Temperieren gekoppelt mit einem Ätzschritt um einen stabilen Goldfilm auf einem Glaschip zu erhalten. Anschließend wird eine Graphenmonolage auf diesem Chip übertragen. Solche SPR-Graphen-Chips können bis zu 500°C erhitzt werden, ohne Verschlechterung der Qualität von SPR-Spektren. Als Folge kann ein solcher Sensor durch Annealing mehrfach gereinigt und verwendet werden. Im zweiten Teil des Projekts haben wir eine neuartige Strategie auf der Basis von Plasmonenwellenleiterresonanz (PWR) konzipiert, um die Kinetik von elektrochemischen Vorgängen auf Graphen in situ zu beobachten. Hierbei wurde eine Wellenleiterschicht bestehend aus einem Polymer zwischen einer Graphenmonolage und dem Goldfilm eingebettet. Die Polymerschicht sichert eine gute elektronische Entkopplung zwischen dem Graphen- und dem Goldfilm zu. Anschließend wurde eine elektrochemische Zelle in einem mikrofluidischen Kanal integriert, mit der Möglichkeit gleichzeitig winkelaufgelöste SPR-Spektren aufzunehmen. Hierbei funktioniert die Graphenmonolage als Arbeitselektrode. Auf diesem Weg haben wir ein System entwickelt, dass es ermöglicht, SPR oder PWR Messungen gleichzeitig mit kontrolliertem Potential an Graphen durchzuführen. Hierdurch konnten wir erfolgreich das elektrochemische Wachstum von Goldnanopartikeln auf Graphen in Echtzeit verfolgen und Information über die Größe und Dichte der Partikeln aus dem kinetischen Verlauf extrahieren. Ferner, konnten wir Redoxvorgänge auf Nanopartikeln mit Hilfe des SPR-Signals aufspüren. Zusammengefasst, haben wir in diesem Vorhaben eine analytische Plattform entwickelt, die nicht nur im Bereich der Biosensorik Einsatz findet, sondern auch vielversprechend ist für in situ Untersuchungen der Kinetik von elektrochemischen Vorgängen auf Graphen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Graphene-on-gold surface plasmon resonance sensors resilient to high-temperature annealing. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 415(3), 371-377.
  Jungnickel, Robert; Mirabella, Francesca; Stockmann, Jörg Manfred; Radnik, Jörg & Balasubramanian, Kannan
  
• Electrochemical Surface Plasmon Resonance Sensing using a van der Waals Heterostructure. Advanced Sensor Research, 3(9).
  Jungnickel, Robert & Balasubramanian, Kannan