Chipbasierte Analytik mit Silbernanostrukturen

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EGNP als neues SERS-Substrat

Optimale SERS-Substrate sollten sich durch eine möglichst hohe Oberflächenrauigkeit auszeichnen und außerdem aus Silber bestehen, da dies zu den höchsten Signalverstärkungen führt. Den Wissenschaftlern der Jena Biochip Initiative am IPHT und der Universität Jena ist es nun erstmals gelungen durch den Einsatz eines speziellen Enzyms einfach zu charakterisierende SERS-Substrate in Form von Silbernanopartikel auf Oberflächen herzustellen. Die enzymatisch generierten Silbernanopartikel (EGNP) werden durch die enzymatische Aktivität von auf einer Oberfläche immobilisierten Meerrettich-Peroxidase-Molekülen (HRP) gebildet. Dabei werden durch die enzymatische Aktivität der HRP Silberionen aus der Lösung zu Silber reduziert, welche sich dann um das Enzym anlagern und die Nanopartikel bilden.

Eine Untersuchung der abgeschiedenen Partikel mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigt die spezielle Struktur der EGNP (s. Abb. 1). Im Vergleich zu sphärischen Nanopartikeln besitzen die EGNP neben einer deutlich größeren Oberflächenrauigkeit eine außergewöhnliche Struktur. Diese strukturellen Besonderheiten bedingen eine höhere SERS-Verstärkung auf den EGNP im Vergleich zu sphärischen Nanopartikeln, da an spitzen Strukturen eine höhere SERS-Aktivität als an ebenen Flächen beobachtet werden kann. Das erlaubt den Nachweis noch geringerer Konzentrationen. Für eine SERS-Aktivität ist die Nutzung einer Laseranregungswellenlänge im Absorptionsbereich des SERS-Substrates notwendig. Monodisperse sphärische Nanopartikel eignen sich daher nur bedingt als ein universelles SERS-Substrat, da sie ein schmalbandiges Absorptionsspektrum aufweisen. Die EGNP hingegen zeigen ein breites Absorptionsspektrum und so gestaltet sich die Wahl der Laseranregungswellenlänge deutlich flexibler.

Ein weiterer Vorteil, den die außergewöhnliche Struktur der EGNP bietet, ist die einfache Charakterisierung der SERS-Aktivität mittels einer elektrischen Leitfähigkeitsmessung. Zur Charakterisierung der gebildeten SERS-aktiven Silberschichten werden Chips mit Elektrodenstrukturen verwendet. Bei diesen Chips handelt es sich um 1,3x 1,3 cm2 große Glaschips mit Elektrodenstrukturen (s. Abb. 2). Auf einem solchen Chip befinden sich 42 individuell auslesbare Elektrodenspalte. Diese Elektrodenspalte ermöglichen eine individuelle elektrische Charakterisierung aller 42 Messpunkte auf einem Chip. Liegt die gemessene Leitfähigkeit über einem definierten Schwellenwert, so zeigt das EGNP-Substrat seine maximale SERS-Aktivität und kann für verschiedenste Analysen verwendet werden. Diese Charakterisierungsmethode ist nur bei dieser Art von Substraten möglich. Normalerweise zeigen Nanopartikel-Schichten einen starken Abfall der SERS-Aktivität, wenn eine leitfähige Schicht ausgebildet wird. Ursache hierfür sind die so genannten Oberflächenplasmonen, Schwingungen der Elektronen im Metall gegen ihre Ionenrümpfe. Die nadelartige Struktur der EGNP verändert die Ausbreitung dieser Oberflächenplasmonen. Dadurch bleiben die EGNP-Substrate auch nach der Ausbildung einer leitfähigen Schicht noch SERS-aktiv.

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