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Raman-Spektroskopie

Chipbasierte Analytik mit Silbernanostrukturen

| Autor/ Redakteur: Katharina K. Strelau*, Dr. Robert Möller* und Prof. Dr. Jürgen Popp*,** / Marc Platthaus

Arzneimittel und ihre Abbauprodukte in der Pharmazie oder aber unerlaubte Farbstoffe und Allergene in der Lebensmittelindustrie müssen schnell, hochspezifisch und dabei möglichst kosteneffizient nachgewiesen werden. Für diese anspruchsvolle Analytik bieten Jenaer Forscher jetzt eine vielversprechende Lösung: die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) auf eigens angefertigten Substraten auf der Basis von Silbernanostrukturen.

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1 Struktur der enzymatisch generierten Silbernanopartikel – die außergewöhnliche, Wüstenrosen-ähnliche Struktur der EGNP, begünstigt eine hohe Verstärkung des Raman-Signals. (Bilder: IPHT Jena)
1 Struktur der enzymatisch generierten Silbernanopartikel – die außergewöhnliche, Wüstenrosen-ähnliche Struktur der EGNP, begünstigt eine hohe Verstärkung des Raman-Signals. (Bilder: IPHT Jena)
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Raman-Spektroskopie beruht auf der Anregung von Molekülschwingungen durch die inelastische Streuung von monochromatischem Licht. Wie bei der Infrarot-Spektroskopie sind die Schwingungen von bestimmten Molekülgruppen hochspezifisch und ergeben somit für jedes Molekül ein eigenes Spektrum – vergleichbar einem menschlichen Fingerabdruck. Somit ermöglicht die Raman-Spektroskopie anhand dieser spezifischen Fingerprint-Spektren eine genaue Bestimmung von chemischen und biologischen Proben. Allerdings ist der Raman-Effekt ein sehr schwacher Effekt, sodass nur relativ hohe Konzentrationen nachgewiesen werden können bzw. die Analysezeit und/oder die benutzte Laserleistung sehr hoch sein müssen. Eine Möglichkeit diesen Nachteil zu überwinden und das schwache Raman-Signal zu verstärken, ist die Nutzung der so genannten oberflächenverstärkten Raman-Streuung (SERS). Hierbei kommen Edelmetallnanostrukturen zum Einsatz, welche durch die gezielte Anregung von Plasmonenresonanzen das Raman-Signal um mehrere Größenordnungen verstärken können (s. Abb. 3). Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass sich das zu detektierende Molekül in der Nähe (Abstand wenige Nanometer) dieser Metalloberfläche befindet. Die Anforderungen an solche Nanostrukturen, die so genannten SERS-Substrate, sind neben einer kostengünstigen, schnellen und einfachen Herstellung eine hohe Verstärkung des Raman-Signals sowie eine einfache Charakterisierung der SERS-Aktivität, um eine gute Reproduzierbarkeit zu gewährleisten.

Der SERS-Effekt wurde bereits 1974 erstmals beschrieben, allerdings fristet SERS als analytische Methode trotz der hohen Sensitivität und Spezifität immer noch ein Nischendasein. Ein Hauptgrund dafür ist die starke Abhängigkeit des SERS-Effektes (Signalverstärkung) von der Nanostruktur der Metalloberfläche. Es wurden zwar vielfältige Methoden beschrieben um SERS-aktive Oberflächen zu erzeugen, jedoch waren diese oft nicht reproduzierbar herzustellen oder die Kosten sind für eine Routineanwendung zu hoch.

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Aufgrund ihrer im sichtbaren Spektralbereich liegenden Plasmonenresonanz, ihrer hohen Stabilität, guten Strukturierbarkeit und hohen Verstärkung des SERS-Signals werden vor allem Gold und Silber als SERS-aktive Oberflächen genutzt. Mithilfe verschiedener Strukturierungsmethoden wie der Elektronenstrahllithographie (EBL) oder der Nanosphere-Lithographie ist die Herstellung von reproduzierbaren Nanostrukturen realisierbar. Allerdings sind diese Herstellungsverfahren z.T. technologisch aufwändig und im Falle der Elektronenstrahllithographie auch mit erheblichen Kosten verbunden. Darüber hinaus lassen sich meist nur kleine Flächen strukturieren. Kostengünstige SERS-Substrate sind metallische Nanopartikel und deren Aggregate, allerdings ist deren Reproduzierbarkeit sehr gering. Daher muss jedes Substrat vor einer Messung mit einer Kontrollsubstanz charakterisiert werden. Durch diese Charakterisierung wird das Substrat jedoch kontaminiert. Das Fehlen von kostengünstigen, einfach zu charakterisierenden und reproduzierbaren SERS-Substraten stellt somit ein großes Hindernis für die weitere Verbreitung der oberflächenverstärkten Raman-Streuung als Analysemethode dar.

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