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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Physik  → Experimentalphysik IV - Dünne Schichten und Synchrotronstrahlung  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2015081748944

Title: Magneto-optische Oberflächenplasmonresonanzeffekte in austauschverschobenen Dünnschichtsystemen
Authors: Kübler, Sebastian
???metadata.dc.subject.swd???: OberflächenplasmonresonanzMagnetooptikBiosensor
???metadata.dc.subject.ddc???: 500 - Naturwissenschaften (Natural sciences and mathematics)530 - Physik (Physics)570 - Biowissenschaften, Biologie (Life sciences)
Issue Date: 17-Aug-2015
Abstract: Die Wechselwirkungen zwischen Biomolekülen spielen eine zentrale Rolle in der biochemischen und pharmazeutischen Forschung. In der biomolekularen Interaktionsanalyse sind dabei Biosensoren auf Basis des Oberflächenplasmonresonanzeffekts (SPR-Effekt) weitverbreitet. Seit Einführung der ersten kommerziellen SPR-Biosensoren Anfang der 1990er Jahre wurden verschiedenste Messanordnungen sowie Materialsysteme mit dem Ziel einer möglichst hohen Empfindlichkeit getestet. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Empfindlichkeit klassischer SPR-Systeme bieten sogenannte magneto-optische SPR-Biosensoren (MOSPR-Biosensoren). Grundlage der Empfindlichkeitssteigerung ist die gleichzeitige Messung des SPR-Effekts und des transversalen magneto-optischen KERR-Effekts (tMOKE). Bisherige Untersuchungen haben sich meist auf den Einfluss der Magnetisierung freier ferromagnetischer Schichten beschränkt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden erstmals austauschverschobene Dünnschichtsysteme (EB-Systeme), eine Kombination aus Ferromagnet und Antiferromagnet, hinsichtlich ihrer Eignung für SPR- und MOSPR-basierte biosensorische Anwendungen untersucht. Aufgrund der remanenten Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht und ihrer magnetischen Strukturierbarkeit sind EB-Systeme eine hochinteressante Plattform zur Realisierung neuer Biosensorkonzepte. Zur Reduzierung der stark dämpfendenden Wirkung magnetischer Materialien wurde das hier betrachtete IrMn/Co EB-System zwischen zwei Goldschichten eingebettet. Eine Gegenüberstellung optimierter Au/ IrMn/Co/Au-Systeme mit einem reinen Au-System, wie es typischerweise in kommerziellen SPR-basierten Biosensoren eingesetzt wird, demonstriert, dass mit den entwickelten EB-Systemen vergleichbare Empfindlichkeiten in SPR-Sensor-Anwendungen erreicht werden können. Die magneto-optische Aktivität der untersuchten Dünnschichtsysteme liegt im Bereich der Literaturwerte für Au/Co/Au-Systeme, mit denen erhöhte Empfindlichkeiten gegenüber Standard-SPR-Biosensoren realisiert wurden. Auf Grundlage magnetisch strukturierter Au/IrMn/Co/Au-Systeme wurden neue Biosensorkonzepte entwickelt und getestet. Erste Experimente belegen, dass mit diesen Schichtsystemen eine gleichzeitige Detektion der magnetisierungsabhängigen Reflektivitäten in ortsauflösenden MOSPR-Messungen möglich ist. Eine solche Messanordnung profitiert von der erhöhten Empfindlichkeit MOSPR-basierter Biosensoren, hohen Messgeschwindigkeiten und einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Weiterhin wurde der domänenwandassistierte Transport (DOWMAT) superparamagnetischer Partikel über der Oberfläche eines exemplarischen EB-Systems, zur Sensorintegration von Misch-, Reinigungs- und Aufkonzentrationsfunktionen erfolgreich getestet. Die Ergebnisse demonstrieren, dass ein Transport von Partikelreihen mit hohen Geschwindigkeiten bei moderaten externen Magnetfeldern über den entwickelten Schichtsystemen möglich ist. Die Agglomeration der Partikel wird dabei intrinsisch vermieden. Diese Beobachtungen verdeutlichen die Vorzüge des DOWMAT-Mechanismus für biosensorische Anwendungen. Die präsentierten Untersuchungen bilden die Grundlage auf dem Weg zur Umsetzung neuer vielversprechender Biosensorkonzepte, die eine Schlüsselfunktion in der medizinischen point-of-care-Diagnostik bei der Detektion kleinster Konzentrationen krankheitsrelevanter Biomarker einnehmen können.The interactions between biomolecules play a key role in biochemical and pharmaceutical research. The biomolecular interaction analysis most commonly employs surface plasmon resonance based sensors. In order to maximize the sensitivity several measurement geometries and material systems have been studied since the first commercial SPR biosensors have been introduced in the early 1990s. Magneto-optic SPR (MOSPR) sensors offer an enhanced sensitivity compared to standard SPR systems via a combined measurement of the transversal magneto-optic KERR effect and the SPR effect. Previous investigations in this field have been restricted to the influence of the magnetization of free ferromagnetic layers. The present thesis contributes a first investigation on the suitability of exchange bias (EB) thin film systems, a combination of a ferromagnetic and an antiferromagnetic layer, for SPR and MOSPR based biosensing applications. For reason of the remanent magnetization of the ferromagnetic layer and the ability to pattern EB systems magnetically they possess high potential for the development of new biosensor systems. The considered IrMn/Co EB system has been sandwiched between two gold layers to reduce the typically high damping effects of magnetic materials. A comparison of optimized Au/IrMn/Co/Au systems with a pure Au system as it is commonly used in commercial SPR biosensors demonstrates that similar sensitivities can be achieved in SPR sensing application employing the developed EB systems. The magneto-optic activities of the thin film systems under investigation are within the range of literature values for Au/Co/Au systems with an increased sensitivity as compared to standard SPR biosensors. Furthermore new biosensor concepts based on magnetically patterned Au/IrMn/Co/Au systems have been developed and tested. First results proof that the simultaneous detection of the magnetization dependent reflectivity is possible with these layer systems employing a spatially resolved MOSPR set-up. Such a measurement system benefits from the enhanced sensitivity of MOSPR based biosensors, a high measurement speed, as well as an improved signal-to-noise ratio. In Addition the domain wall movement assisted transport (DOWMAT) of superparamagnetic particles above the surface of one exemplary EB system has been tested successfully. The DOWMAT mechanism enables the integration of mixing-, washing- and pre-concentration procedures directly into the sensor. The results demonstrate that the transport of particle rows with high velocities at moderate external magnetic fields is possible above the developed thin film systems. At the same time particle agglomeration is avoided intrinsically. These observations illustrate the advantages of the DOWMAT mechanism for biosensing applications. The presented investigations are the first step towards the development of new promising biosensor concepts which might play a key role for the point-of-care diagnostic detecting lowest concentrations of disease relevant biomarkers.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2015081748944
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