DE102013008104A1 - SERS substrate - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft SERS-Substrat mit einem Träger aus einem Trägermaterial, der eine Oberfläche aufweist, und einem Substrat aus einem Substratmaterial mit einer dielektrischen Funktion εM, das an der Oberfläche des Trägers angeordnet ist und eine Struktur aufweist, wobei das Trägermaterial und das Substratmaterial derart gewählt sind, dass ein Wert X wenigstens 6 beträgt, wobei X wie folgt berechnet wird:wobei die einzelnen Größen folgendes darstellen: ωs: Stokesverschiebung = 1000 cm–1 ωE , d: Anregungsfrequenz, bei der der erste Faktor von X maximal wird, ωE,i: Anregungsfrequenz, bei der der zweite Faktor von X maximal wird und εLuft : dielektrische Funktion von Luft = 1 εD: dielektrische Funktion des Trägermaterials bei einer Wellenlänge λ = 600 nmThe invention relates to SERS substrate with a carrier made of a carrier material which has a surface, and a substrate made of a substrate material with a dielectric function εM, which is arranged on the surface of the carrier and has a structure, the carrier material and the substrate material such are chosen so that a value X is at least 6, where X is calculated as follows: where the individual quantities represent the following: ωs: Stokes displacement = 1000 cm-1 ωE, d: excitation frequency at which the first factor of X becomes maximum, ωE , i: excitation frequency at which the second factor of X becomes maximum and εair: dielectric function of air = 1 εD: dielectric function of the carrier material at a wavelength λ = 600 nm
Description
Die Erfindung betrifft ein SERS-Substrat mit einem Träger aus einem Trägermaterial, der eine Oberfläche aufweist, und einem Substrat aus einem Substratmaterial mit einer dielektrischen Funktion εM, das an der Oberfläche des Trägers angeordnet ist und eine Struktur aufweist.The invention relates to an SERS substrate having a carrier made of a carrier material which has a surface, and a substrate made of a substrate material having a dielectric function ε M , which is arranged on the surface of the carrier and has a structure.
SERS-Substrate sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Auf dem Gebiet der Analytik hat sich in den letzten Jahren die Raman-Spektroskopie immer weiter etabliert. Dabei wird die Wechselwirkung monochromatischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, mit Moleküleigenschwingungen ausgenutzt. Dies führt zu charakteristischen, molekülspezifischen Banden im Streulichtspektrum, die einen Fingerabdruck des jeweiligen Moleküls darstellen. Auf diese Weise erlaubt die Raman-Spektroskopie einen direkten speziesselektiven Nachweis und bietet so einen hohen Informationsgehalt über die jeweilige Molekülstruktur. Die Detektion einer geringen Anzahl von Molekülen stellt allerdings eine große Herausforderung dar, da der Raman-Streuprozess naturgemäß sehr lichtschwach ist. Insbesondere im Bereich der Bioanalytik oder der forensischen Analytik stehen jedoch oft nur sehr geringe Mengen einer Substanz für die Detektion zur Verfügung.SERS substrates have long been known in the art. In the field of analytics, Raman spectroscopy has become more and more established in recent years. In this case, the interaction of monochromatic radiation, in particular laser radiation, with molecular oscillations is utilized. This leads to characteristic, molecule-specific bands in the scattered light spectrum, which represent a fingerprint of the respective molecule. In this way, Raman spectroscopy allows a direct species-selective detection and thus provides a high information content about the respective molecular structure. However, the detection of a small number of molecules poses a great challenge since the Raman scattering process is naturally very faint. In the field of bioanalytics or forensic analysis, however, only very small amounts of a substance are often available for detection.
Daher ist man bestrebt, die Empfindlichkeit der Nachweismethode zu erhöhen. Eine Möglichkeit dafür ist die Anwendung des sogenannten oberflächenverstärkten Raman-Effektes (surface enhanced Raman scattering: SERS, bei dem die Moleküle, die nachzuweisen sind, an einer nanostrukturierten Edelmetalloberfläche adsorbiert werden. Dies führt zu einer drastischen Verstärkung des Raman-Streulichtes. Zwischenzeitlich sind derartige SERS-Substrate für die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie auf dem Markt erhältlich. Das SERS-Substrat umfasst dabei einen Träger aus einem Siliziummaterial, der mit einer dünnen Goldschicht bedampft wird. Dadurch, dass ein intransparentes Trägermaterial verwendet wird, kann mit einem derartigen SERS-Substrat die Raman-Spektroskopie nur in Reflektion durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass der Anregungsstrahl, der zur Anregung der zu detektierenden Moleküle verwendet wird, durch die Luft oder ein optisch transparentes Lösungsmittel geführt wird und dann direkt auf die zu bestimmende Substanz trifft, die sich an der Oberfläche des SERS-Substrates angesammelt hat.Therefore, efforts are being made to increase the sensitivity of the detection method. One possibility for this is the application of the so-called surface enhanced Raman scattering (SERS), in which the molecules to be detected are adsorbed on a nanostructured precious metal surface, resulting in a dramatic amplification of the Raman scattered light SERS substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy are available on the market, with the SERS substrate comprising a support of a silicon material that is vapor-deposited with a thin layer of gold, and using such an SERS substrate as an intransparent support material Raman spectroscopy is performed only in reflection, which means that the excitation beam, which is used to excite the molecules to be detected, is passed through the air or an optically transparent solvent and then directly hits the substance to be determined the O surface of the SERS substrate has accumulated.
Wird als Trägermaterial ein bei der Anregungsfrequenz transparentes Material verwendet, kann die Raman-Spektroskopie auch mit einer indirekten Strahlführung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass der Anregungsstrahl durch das Trägermaterial geleitet wird und anschließend auf die zu bestimmende Substanz trifft, die an der Oberfläche des SERS-Substrates adsorbiert ist.If a material which is transparent at the excitation frequency is used as the carrier material, Raman spectroscopy can also be carried out with an indirect beam guidance. This means that the excitation beam is passed through the carrier material and then impinges on the substance to be determined, which is adsorbed on the surface of the SERS substrate.
Aus der
Je geringer die zu detektierende Menge einer Substanz, des sogenannten Analyten, ist, desto größer muss die Verstärkung des Raman-Streulichtes sein. Daher sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Ansätze bekannt, die Empfindlichkeit der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie weiter zu steigern.The lower the amount of a substance to be detected, the so-called analyte, the greater must be the amplification of the Raman scattered light. Therefore, different approaches are known from the prior art to further increase the sensitivity of surface-enhanced Raman spectroscopy.
Aus der
Aus der
Ähnliches ist aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein SERS-Substrat vorzustellen, das eine möglichst gute Verstärkung des Raman-Signals erlaubt und dennoch einfach, schnell und kostengünstig herstellbar ist.The invention is therefore based on the object to present a SERS substrate that allows the best possible amplification of the Raman signal and yet easy, fast and inexpensive to produce.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein SERS-Substrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das sich dadurch auszeichnet, dass das Trägermaterial und das Substratmaterial derart gewählt sind, dass ein Wert X wenigstens 6 beträgt, wobei X wie folgt berechnet wird: wobei die einzelnen Größen folgendes darstellen:
- ωs:
- Stokesverschiebung = 1000 cm–1
- ωE , d:
- Anregungsfrequenz, bei der der erste Faktor von X maximal wird,
- ωE,i:
- Anregungsfrequenz, bei der der zweite Faktor von X maximal wird und
- εLuft:
- dielektrische Funktion von Luft = 1,
- εD:
- dielektrische Funktion des Trägermaterials bei einer Wellenlänge λ = 600 nm.
- ω s :
- Stokes shift = 1000 cm -1
- ω E , d :
- Excitation frequency at which the first factor of X becomes maximum,
- ω E, i :
- Excitation frequency at which the second factor of X becomes maximum and
- ε air :
- dielectric function of air = 1,
- ε D :
- dielectric function of the carrier material at a wavelength λ = 600 nm.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verstärkung des SERS-Signals nicht nur von der zur Verfügung stehenden Oberfläche und/oder der geometrischen Form des Substrates und des darunter liegenden Trägers abhängt, sondern insbesondere von der Wahl der verwendeten Materialien, also insbesondere dem Trägermaterial und dem Substratmaterial. Zudem liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine indirekte Anregung, bei der also der Anregungslaserstrahl durch das Trägermaterial geleitet wird, die Verstärkung des SERS-Signals weiter gesteigert werden kann. Durch die Einführung der Größe X ist es nun möglich, im Wesentlichen aus den dielektrischen Funktionen der beteiligten Materialien zu bestimmen, welche Materialkombination aus Trägermaterial und Substratmaterial besonders geeignet ist, um ein SERS-Substrat herzustellen.The invention is based on the finding that the amplification of the SERS signal depends not only on the available surface and / or the geometric shape of the substrate and the underlying carrier, but in particular on the choice of materials used, ie in particular the carrier material and the substrate material. In addition, the invention is based on the finding that the amplification of the SERS signal can be further increased by indirect excitation, in which the excitation laser beam is thus conducted through the carrier material. Through the introduction of the size X, it is now possible to determine, essentially from the dielectric functions of the materials involved, which material combination of carrier material and substrate material is particularly suitable for producing a SERS substrate.
Die tatsächliche Verstärkung des Raman-Signals hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Diese beinhalten insbesondere neben den dielektrischen Funktionen der verwendeten Materialien auch beispielsweise die geometrische Ausgestaltung und Formgebung des Substratmaterials auf der Oberfläche des Trägers. Um diese Verstärkung exakt berechnen zu können, müsste folglich die exakte geometrische Struktur des Substrates auf der durch die Oberfläche des Trägers vorgegebenen Oberflächenstruktur bestimmt und in die Rechnung einbezogen werden. Dies ist mit einem immensen Rechenaufwand und mit praktisch nicht zu überwindenden Schwierigkeiten verbunden und zudem, wie die Erfinder gezeigt haben, nicht nötig. Überraschenderweise lässt sich die Verstärkung mit einem einfachen Modell berechnen, wobei das so erzielte Ergebnis trotz der eingehenden Näherungen und Annahmen gute Ergebnisse liefert.The actual amplification of the Raman signal depends on a variety of factors. In addition to the dielectric functions of the materials used, these also include, for example, the geometric design and shaping of the substrate material on the surface of the carrier. In order to be able to calculate this reinforcement exactly, the exact geometric structure of the substrate on the surface structure predetermined by the surface of the carrier would have to be determined and included in the calculation. This is associated with an immense amount of computation and with virtually unresolved difficulties and also, as the inventors have shown, unnecessary. Surprisingly, the gain can be calculated with a simple model, the result obtained, despite the in-depth approximations and assumptions, yielding good results.
Der Faktor X und seine Berechnung gehen auf dieses Modell zurück. Bei der Berechnung werden verschiedene Größen als konstant angenommen, von denen bekannt ist, dass sie tatsächlich nicht konstant sind. So wird die dielektrische Funktion von Luft εLuft auf den Wert 1 gesetzt. Für die dielektrische Funktion des Trägermaterials εD wird der Wert verwendet, den die dielektrische Funktion bei einer Wellenlänge von λ = 600 nm aufweist. Die Stokesverschiebung ωs wird bei der Berechnung des Wertes X als fest auf 1000 cm–1 festgelegt. Für die dielektrische Funktion des Substrates εM werden die wellenlängenabhängigen Werte des Bulk-Materials bei Wellenlängen zwischen 260 nm und 900 nm verwendet. Diese wird nach dem Drude-Modell beschrieben als: The factor X and its calculation are based on this model. In the calculation, different quantities are assumed to be constant, which are known to be in fact not constant. Thus, the dielectric function of air ε air is set to the value 1. For the dielectric function of the carrier material ε D , the value is used, which has the dielectric function at a wavelength of λ = 600 nm. The Stokes shift ω s is set as fixed at 1000 cm -1 in the calculation of the value X. For the dielectric function of the substrate ε M , the wavelength-dependent values of the bulk material are used at wavelengths between 260 nm and 900 nm. This is described after the Drude model as:
Dabei bezeichnet ω die Anregungsfrequenz, die für das vorliegenden Modell zwischen 7,24 × 1015 rad pro Sekunde und 2,09 × 1015 rad pro Sekunde angenommen wird, was Wellenlängen zwischen 260 nm und 900 nm entspricht. ωP benennt die Plasmafrequenz, die für Silber bei 1,35 × 1016 rad pro Sekunde und für Gold bei 1,4 × 1016 rad pro Sekunde liegt. ωD bezeichnet einen Dämpfungsfaktor, der für Silber bei 7,62 × 1013 rad pro Sekunde und für Gold bei 3,78 × 1013 rad pro Sekunde liegt. Dieser Dämpfungsfaktor berücksichtigt dabei, dass es sich bei dem Substrat um eine dünne strukturierte Schicht handelt. Er berechnet sich durch die Formel in der vF die Fermi-Geschwindigkeit und r den Radius des Partikels bezeichnet. Für die Fermi-Geschwindigkeit wird der Wert 1,4·106 Meter pro Sekunde und für den Partikelradius der Wert 30 nm angesetzt. In this case, ω denotes the excitation frequency, which for the present model is assumed to be between 7.24 × 10 15 radians per second and 2.09 × 10 15 rads per second, which corresponds to wavelengths between 260 nm and 900 nm. ω P denotes the plasma frequency, which is 1.35 x 10 16 radians per second for silver and 1.4 x 10 16 radians per second for gold. ω D denotes a damping factor for silver at 7.62 x 10 13 rads per second and for gold at 3.78 x 10 13 rads per second. This damping factor takes into account that the substrate is a thin structured layer. It is calculated by the formula in which v F denotes the Fermi velocity and r the radius of the particle. For the Fermi speed, the value is 1.4 × 10 6 meters per second and for the particle radius of 30 nm.
ε∞ ist der Grenzwert der dielektrischen Konstante bei hoher Frequenz, der für Silber bei 2,48 und für Gold bei 7,0 liegt.ε∞ is the high frequency dielectric constant limit, which is 2.48 for silver and 7.0 for gold.
Viele der getroffenen Voraussetzungen und Annahmen sind für die zu beschreibende Situation eines SERS-Substrates unzutreffend. So wird beispielsweise das Substratmaterial nicht in Form eines Bulk-Materials aufgebracht, sondern liegt als nano- oder mikrostrukturierte dünne Schicht vor. Dass diese Schicht durch die dielektrische Funktion des Bulk-Materials nach dem Drude-Modell beschrieben werden kann, ist überraschend. Zudem wird angenommen, die dielektrische Funktion des Trägermaterials sei für den hier relevanten Bereich zwischen Wellenlängen von 260 nm und 900 nm für die entsprechenden verwendeten Materialien weitgehend konstant und kann deshalb auf einen festen Wert festgelegt werden, der dem Wert der dielektrischen Funktion bei einer Wellenlänge von 600 nm entspricht.Many of the assumptions and assumptions made are inaccurate for the situation to be described of a SERS substrate. For example, the substrate material is not applied in the form of a bulk material, but is present as a nano- or microstructured thin layer. That this layer can be described by the dielectric function of the bulk material according to the Drude model is surprising. In addition, it is believed that the dielectric function of the support material is substantially constant for the wavelength range of 260 nm to 900 nm for the respective materials used, and therefore can be set to a fixed value equal to the value of the dielectric function at a wavelength of 600 nm corresponds.
Überraschenderweise lässt sich die tatsächliche Situation in einem SERS-Substrat offenbar durch dieses vereinfachte Modell beschreiben, weswegen der im Anspruch 1 benannte Faktor X trotz der eingehenden Näherungen bei seiner Berechnung ein gutes und verlässliches Maß für die Auswahl der unterschiedlichen Materialien bietet.Surprisingly, the actual situation in a SERS substrate can obviously be described by this simplified model, which is why the factor X named in claim 1 offers a good and reliable measure for the selection of the different materials, despite the detailed approximations in its calculation.
Der Faktor X wird gebildet aus dem Verhältnis der durch die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie erreichten Signalverstärkung bei direkter Strahlführung (erster Faktor) und bei indirekter Strahlführung (zweiter Faktor). Unter direkter Strahlführung wird dabei verstanden, dass der Anregungsstrahl, der beispielsweise ausgesandte Laserstrahlung sein kann, durch die Luft auf das an dem Substrat adsorbierte zu detektierende Material geleitet wird. Auch die Raman-Streustrahlung wird über diesen Weg detektiert. Daher hängt der erste Faktor des Wertes X lediglich von der dielektrischen Funktion des Substratmaterial und der dielektrischen Funktion der Luft ab. Hierin liegt eine weitere Näherung des Modells. Natürlich ist auch bei direkter Strahlführung die Verwendung eines anderen Mediums als Luft denkbar. So ist es beispielsweise bekannt, SERS-Messungen auch bei direkter Strahlführung durch Wasser durchzuführen. Für die Bestimmung des Wertes X aus dem skizzierten Modell wird jedoch lediglich der Vergleich mit Luft verwendet. Als erster Faktor wird vorliegend der erste Klammerausdruck verstanden, während durch „zweiter Faktor” der zweite Klammerausdruck bezeichnet wird.The factor X is formed from the ratio of the signal amplification achieved by the surface-enhanced Raman spectroscopy with direct beam guidance (first factor) and with indirect beam guidance (second factor). Under direct beam guidance is understood that the excitation beam, which may be, for example, emitted laser radiation is passed through the air to the material adsorbed to the substrate to be detected. The Raman scattered radiation is also detected via this path. Therefore, the first factor of the value X depends only on the dielectric function of the substrate material and the dielectric function of the air. Herein lies another approximation of the model. Of course, even with direct beam guidance, the use of a medium other than air is conceivable. For example, it is known to carry out SERS measurements even with direct beam guidance through water. For the determination of the value X from the sketched model, however, only the comparison with air is used. In the present case, the first factor is understood to be the first expression of the parenthesis, while the term "second factor" refers to the second expression of the parenthesis.
Unter indirekter Strahlführung wird verstanden, dass der Anregungsstrahl durch das Trägermaterial des Trägers geleitet wird und anschließend auf das an dem Substratmaterial adsorbierte zu bestimmende Material trifft. Auch die Raman-Streustrahlung wird über diesen Weg, also durch das Trägermaterial des Trägers hindurch, geleitet und anschließend detektiert. Daher hängt der zweite Faktor des Wertes X lediglich von der dielektrischen Funktion des Substratmaterials und der dielektrischen Funktion des Trägermaterials ab.Indirect beam guidance means that the excitation beam is passed through the carrier material of the carrier and then impinges on the material to be determined which is adsorbed on the substrate material. The Raman scattered radiation is also conducted through this path, that is, through the carrier material of the carrier, and then detected. Therefore, the second factor of the value X depends only on the dielectric function of the substrate material and the dielectric function of the substrate.
Im jeweils ersten Faktor in den beiden Klammerausdrücken wird die dielektrische Funktion des Substratmaterials, die insbesondere wellenlängenabhängig ist, bei der Wellenlänge der Anregungsfrequenz bestimmt. Dieser jeweils erste Faktor in dem ersten und dem zweiten Klammerausdruck trägt somit der eingestrahlten Anregungsstrahlung, die bei der Anregungswellenlänge beziehungsweise der Anregungsfrequenz eingestrahlt wird, Rechnung. Der jeweils zweite Faktor enthält die dielektrische Funktion des Substratmaterials, die bei einer Frequenz bestimmt wird, die der Stokesverschiebung der Raman-Spektroskopie entspricht.In the respective first factor in the two bracketed expressions, the dielectric function of the substrate material, which in particular is wavelength-dependent, is determined at the wavelength of the excitation frequency. This respective first factor in the first and the second parenthesis expression thus takes account of the incident excitation radiation which is irradiated at the excitation wavelength or the excitation frequency. The second factor in each case contains the dielectric function of the substrate material, which is determined at a frequency which corresponds to the Stokes shift of the Raman spectroscopy.
Die durch die Raman-Streuung an dem zu detektierenden Material ausgesandte Raman-Streustrahlung ist gegenüber der Anregungsstrahlung um eine für das Material charakteristische Energie und damit eine entsprechende Wellenlänge verschoben. Weist die gestreute Strahlung eine geringere Energie auf als die eingestrahlte Strahlung, spricht man von Stokes-Strahlung oder von Stokes-Banden im Raman-Spektrum, während man von Anti-Stokes-Strahlung oder Anti-Stokes-Banden im Raman-Spektrum spricht, wenn die Streustrahlung eine höhere Energie als die eingestrahlte Strahlung aufweist. Durch die hier benannte Stokesverschiebung sollen beide Effekte abgedeckt sein. Das Raman-Spektrum, das bei der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie aufgenommen wird, verfügt über für das Material charakteristische Peaks. Diese treten bei den jeweiligen Stokesverschiebungen bzw. Antistokesverschiebungen auf und sind für das zu detektierende Material zumeist bekannt.The Raman scattered radiation emitted by the Raman scattering on the material to be detected is shifted from the excitation radiation by a characteristic energy for the material and thus a corresponding wavelength. If the scattered radiation has a lower energy than the irradiated radiation, it is called Stokes radiation or Stokes bands in the Raman spectrum, while one speaks of anti-Stokes radiation or anti-Stokes bands in the Raman spectrum, when the scattered radiation has a higher energy than the irradiated radiation. The Stokes shift named here is intended to cover both effects. The Raman spectrum, which is recorded in surface-enhanced Raman spectroscopy, has peaks characteristic of the material. These occur at the respective Stokes shifts or Antistokesverschiebungen and are mostly known for the material to be detected.
Ein SERS-Substrat kann herkömmlicherweise für eine sehr spezielle Anwendungsform ausgewählt und hergestellt werden. So ist insbesondere das zu detektierende Material bzw. die zu detektierende Substanz bekannt, so dass auch die Position der einzelnen Stokesverschiebungen ωs bekannt ist. Für die Berechnung des Wertes X wird jedoch als weitere Näherung ωs auf 1000 cm–1 festgelegt. Die einzige Variable, die in der Berechnungsmethode für X noch veränderlich bleibt, ist die Anregungsfrequenz ωE, die nun solange variiert wird, bis der erste Faktor von X und der zweite Faktor von X jeweils maximal wird. Auf diese Weise werden die Anregungsfrequenzen ωE,d für den ersten Faktor von X und ωE,i für den zweiten Faktor von X bestimmt. Diese Anregungsfrequenzen, bei denen der erste Faktor bzw. der zweite Faktor von X maximal werden, sind in aller Regel verschieden voneinander. Sie entsprechen den Anregungsfrequenzen, bei denen der gewünschte Peak der ausgewählten Stokesverschiebung am besten zu erkennen ist, weil in diesem Fall die SERS-Signalverstärkung am größten ist.An SERS substrate can be conventionally selected and manufactured for a very specific application. Thus, in particular, the material to be detected or the substance to be detected is known, so that the position of the individual Stokes shifts ω s is also known. For the calculation of the value X, however, ω s is set to 1000 cm -1 as a further approximation. The only variable that remains variable in the calculation method for X is the excitation frequency ω E , which is now varied until the first factor of X and the second factor of X become maximum. In this way, the excitation frequencies ω E, d for the first factor of X and ω E, i for the second factor of X are determined. These excitation frequencies, at which the first factor or the second factor of X become maximum, are usually different from each other. They correspond to the excitation frequencies at which the desired peak of the selected Stokes shift is best recognized, because in this case the SERS signal gain is greatest.
Die Größe X erhält man nun, indem einfach der erste Faktor und der zweite Faktor von X durcheinander geteilt werden, so dass eine dimensionslose Größe X erhalten wird.The size X is now obtained by simply dividing the first factor and the second factor of X, so that a dimensionless quantity X is obtained.
Vorteilhafterweise sind das Trägermaterial und das Substratmaterial derart gewählt, dass X größer ist als 7, bevorzugt größer als 8, besonders bevorzugt größer ist als 9. Als insbesondere vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Wert X größer ist als 10, vorzugsweise größer als 50, insbesondere vorzugsweise größer ist als 100.Advantageously, the carrier material and the substrate material are selected such that X is greater than 7, preferably greater than 8, particularly preferably greater than 9. It has turned out to be particularly advantageous if the value X is greater than 10, preferably greater than 50, in particular preferably greater than 100.
Zur Bestimmung von X wird folglich durch die Variation der jeweiligen Anregungsfrequenz für die direkte und die indirekte Strahlführung die maximal mögliche Verstärkung des Raman-Signals durch die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie errechnet. Anschließend werden diese beiden Größen, die bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen ωE,d und ωE,i; liegen können, durcheinander geteilt, um den Wert X zu erhalten. Damit wird folglich die maximal mögliche Verstärkung des SERS-Signals bei einer gegebenen Stokesverschiebung con 1000 cm–1 ermittelt. Vorteilhafterweise kann für die Bestimmung von ωE,d und ωE,i; nur ein lokales Maximum der beiden Faktoren bestimmt werden, wobei für die Bestimmung dieses Maximums sowohl im ersten Faktor als auch im zweiten Faktor nur Frequenzen verwendet werden, die einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 900 nm entsprechen. Dadurch wird zum einen der Rechenaufwand reduziert, weil nur noch ein lokales und nicht mehr ein globales Maximum bestimmt werden muss. Zudem werden die möglichen Frequenzen auf den für Anregungsfrequenzen typischen Bereich eingeschränkt, so dass das jeweilige Maximum nur im für den jeweiligen Anwendungsfall sinnvollen Frequenzbereich bestimmt wird.For the determination of X, the maximum possible amplification of the Raman signal is therefore calculated by the surface-enhanced Raman spectroscopy by the variation of the respective excitation frequency for the direct and the indirect beam guidance. Subsequently, these two quantities, which at different excitation frequencies ω E, d and ω E, i ; can be divided, to get the value X. Thus, the maximum possible gain of the SERS signal is determined for a given Stokes shift of 1000 cm -1 . Advantageously, for the determination of ω E, d and ω E, i ; only a local maximum of the two factors can be determined, wherein only frequencies corresponding to a wavelength between 300 nm and 900 nm are used for the determination of this maximum in both the first factor and in the second factor. As a result, on the one hand, the computational effort is reduced because only one local and no longer a global maximum must be determined. In addition, the possible frequencies are limited to the typical range for excitation frequencies, so that the respective maximum is determined only in the frequency range useful for the particular application.
Vorteilhafterweise ist das Substratmaterial Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Platin, Natrium, Indium, Zink, Kadmium, Gallium oder eine Kombination mehrerer dieser Elemente. Diese Materialien zeichnen sich durch einen komplexwertigen Brechungsindex aus. Offenbar ist dabei das Verhältnis des Realteils zum Imaginärteil des komplexwertigen Brechungsindexes für die Größe der Verstärkung des SERS-Signals von großer Bedeutung.Advantageously, the substrate material is gold, silver, copper, aluminum, platinum, sodium, indium, zinc, cadmium, gallium or a combination of several of these elements. These materials are characterized by a complex refractive index. Obviously, the ratio of the real part to the imaginary part of the complex-valued refractive index is of great importance for the magnitude of the amplification of the SERS signal.
Vorteilhafterweise weist das Substratmaterial eine Nanostruktur oder eine Mikrostruktur auf. Dies kann auf unterschiedlichste Weise erreicht werden. So ist es bekannt, zunächst eine Schicht aus dem jeweiligen Substratmaterial aufzubringen und diese anschließend beispielsweise durch ein Einwirken mit einem Laser, insbesondere einem gepulsten Laser, zu strukturieren. Die erreichten Strukturen können von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern Durchmesser und charakteristische Längenskalen aufweisen. Alternativ können auch Beschichtungen aufgebracht werden, die keine vollständige Schicht bilden, sondern sogenannte Inselfilme auf der Oberfläche des Trägermaterials bilden. Auch hier können entsprechend strukturierte Oberflächen erreicht werden.Advantageously, the substrate material has a nanostructure or a microstructure. This can be achieved in many different ways. Thus, it is known to first apply a layer of the respective substrate material and then to structure it, for example, by acting with a laser, in particular a pulsed laser. The structures achieved can range from a few nanometers to a few micrometers in diameter and have characteristic length scales. Alternatively, it is also possible to apply coatings which do not form a complete layer but form so-called island films on the surface of the support material. Here too, correspondingly structured surfaces can be achieved.
Vorteilhafterweise ist das Trägermaterial ein Saphir, Diamant, Flintglas, Bleiglas, Polykarbonat, Polystyrol oder eine Kombination dieser Materialien.Advantageously, the support material is a sapphire, diamond, flint glass, lead glass, polycarbonate, polystyrene or a combination of these materials.
Vorzugsweise ist der Brechungsindex des jeweiligen Materials möglichst hoch.Preferably, the refractive index of the respective material is as high as possible.
Polykarbonat und Polystyrol haben mit ca. 1,6 den höchsten Brechungsindex unter den transparenten Polymeren. In Kombination mit Gold als Substratmaterial ergeben sich für die unterschiedlichen Trägermaterialien folgende Werte:
Die verwendeten Brechungsindizes wurden im Bereich bei 500 nm (Tantalpentoxid) und 587,6 nm beziehungsweise 589,3 nm bestimmt.The refractive indices used were determined in the range at 500 nm (tantalum pentoxide) and 587.6 nm and 589.3 nm, respectively.
Vorteilhafterweise wird das Trägermaterial in Form einer Schicht auf einem Grundmaterial, insbesondere auf einem Quarzglas, angeordnet. Die Dicke dieser Schicht kann zwischen wenigen Nanometern und einigen Monolagen auf der einen Seite und wenigen Mikrometern auf der anderen Seite betragen. Für die Verstärkung des SERS-Signals ist offenbar der Kontaktbereich zwischen dem Substratmaterial und dem Trägermaterial von Bedeutung, wohingegen die Dicke der Schicht des Trägermaterials nur einen untergeordneten Einfluss hat. Dies hat zur Folge, dass auch teure Materialien aus Trägermaterial verwendet werden können, da lediglich eine relativ dünne Schicht dieser Materialien verwendet werden muss.Advantageously, the carrier material is arranged in the form of a layer on a base material, in particular on a quartz glass. The thickness of this layer can be between a few nanometers and a few monolayers on one side and a few micrometers on the other side. For the amplification of the SERS signal, the contact area between the substrate material and the carrier material is obviously important, whereas the thickness of the layer of the carrier material has only a minor influence. As a result, even expensive materials made of carrier material can be used, since only a relatively thin layer of these materials has to be used.
Vorzugsweise ist das Trägermaterial in diesem Fall SiOx, Ta2O5, TiO2, HfO2, Nb2O5, MgO, ZrO2, Al2O3, Ga2O3 oder eine Kombination mehrerer dieser Materialien. Bei SiOx bezeichnet das „x” einen stöchiometrischen Faktor, durch den beispielsweise der Brechungsindex des Materials beeinflusst werden kann. Für x = 1 beträgt der Brechungsindex beispielsweise n = 1,7. Der Wert X beträgt mit Gold als Substratmaterial in diesem Fall X = 6,7. Ein Brechungsindex n = 1,8 liefert X = 7,6, während ein Brechungsindex n = 1,9 einen Wert X = 8,3 liefert. Diese Berechnungen wurden jeweils mit SiOx als Träger- und Gold als Substratmaterial durchgeführt.Preferably, the support material in this case is SiO x , Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , Nb 2 O 5 , MgO, ZrO 2 , Al 2 O 3 , Ga 2 O 3 or a combination of several of these materials. In the case of SiO x , the "x" designates a stoichiometric factor by which, for example, the refractive index of the material can be influenced. For example, for x = 1, the refractive index is n = 1.7. The value X with gold as substrate material in this case is X = 6.7. A refractive index n = 1.8 gives X = 7.6, while a refractive index n = 1.9 gives a value X = 8.3. These calculations were carried out in each case with SiO x as support material and gold as substrate material.
Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, das Substrat direkt an einer Endfläche des optischen Leiters, insbesondere des Glasfaserkabels anzuordnen. Dies ist insbesondere in der Medizintechnik, in der beispielsweise die Untersuchung von weichem Material, beispielsweise von Organen, notwendig ist von Vorteil. Oftmals ist es nicht möglich oder zumindest nicht gewollt, eine Probe des zu untersuchenden Materials, beispielsweise eines menschlichen Organs, zu entnehmen. Wird das SERS-Substrat an das Ende eines Glasfaserkabels angeordnet, so kann beispielsweise ein Organ wie mit einer Nadel durchdrungen und gleichzeitig analysiert werden. Man erhält auf diese Weise ortsaufgelöst Informationen über die Zusammensetzung des Organs, was insbesondere in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden kann, um beispielsweise gutartige von bösartigen Tumoren zu unterscheiden. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, bei dem oftmals mit einer Kamera über eine Sonde beispielsweise Speiseröhre, Magen oder Darm, zu untersuchen sind. Auch mit diesen Verfahren können zwar auffällige Stellen lokalisiert werden, eine direkte Aussage darüber, ob beispielsweise ein gutartiger oder ein bösartiger Tumor vorliegt, ist über eine Kamera jedoch nicht möglich. Insbesondere in Kombination mit einem hier beschriebenen SERS-Substrat am Ende eines optischen Leiters, beispielsweise eines Glasfaserkabels, kann die markante Stelle gleich an Ort und Stelle untersucht werden, so dass die gewünschten Aussagen schnell und sicher getroffen werden können. Eine Entnahme von Gewebeproben ist nicht nötig.In this way it is possible, for example, to arrange the substrate directly on an end surface of the optical conductor, in particular of the glass fiber cable. This is particularly advantageous in medical technology, in which, for example, the examination of soft material, such as organs, is necessary. Often it is not possible or at least not intended to take a sample of the material to be examined, for example a human organ. When the SERS substrate is placed on the end of a fiber optic cable, for example, an organ may be penetrated as though with a needle and analyzed simultaneously. This gives spatially resolved information about the composition of the organ, which can be used in particular in medical diagnostics, for example to distinguish benign from malignant tumors. This represents a significant improvement over the prior art, which is often to be examined with a camera via a probe such as the esophagus, stomach or intestine. Even with these methods, although conspicuous sites can be located, a direct statement as to whether, for example, a benign or a malignant tumor is present, is not possible via a camera. In particular, in combination with a SERS substrate described here at the end of an optical conductor, such as a fiber optic cable, the prominent location can be examined right in place, so that the desired statements can be made quickly and safely. A removal of tissue samples is not necessary.
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Träger Teil einer Wandung eines Reaktionsbehälters oder eines Mikrofluidsystem ist. Innerhalb des Reaktors oder des Mikrofluidsystems befindet sich ein Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit, in dem beispielsweise die Konzentration oder überhaupt das Vorhandensein von bestimmten Substanzen detektiert werden soll. Wird das SERS-Substrat direkt in die Wandung des Reaktors integriert, in dem beispielsweise der Träger Teil der Wandung des Reaktionsbehälters ist, kann Anregungsstrahlung beispielsweise über einen optischen Leiter direkt an die Innenwand des Reaktors, die die Oberfläche des Trägers bildet, geleitet werden. Auf diese Weise ist eine In-situ-Diagnose und Überwachung der Konzentration des zu detektierenden Materials bzw. der zu detektierenden Substanz im Reaktorbehälter möglich.It has proved to be advantageous if the carrier is part of a wall of a reaction container or of a microfluid system. Within the reactor or the microfluidic system is a medium, for example a liquid, in which, for example, the concentration or even the presence of certain substances is to be detected. If the SERS substrate is integrated directly into the wall of the reactor, in which, for example, the carrier is part of the wall of the reaction vessel, excitation radiation can be conducted, for example, via an optical conductor directly to the inner wall of the reactor forming the surface of the carrier. In this way, an in-situ diagnosis and monitoring of the concentration of the material to be detected or the substance to be detected in the reactor vessel is possible.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch ein Set zum Durchführen einer SERS-Messung mit einem hier beschriebenen SERS-Substrat und einem Laser zum Aussenden von Laserstrahlung, die insbesondere als Anregungsstrahlung verwendet wird, und die eine Wellenlänge von ωE,i ±50 nm, vorzugsweise ±20 nm, besonders vorzugsweise ±10 nm aufweist. Die Anregungswellenlänge ωE,i wurde als optimale Anregungswellenlänge festgestellt um die gewünschte Streustrahlung, die um die Stokesverschiebung in der Frequenz verschoben ist, zu detektieren. Es ist daher optimal, wenn die Laserstrahlung, die von dem Laser ausgesandt werden kann, exakt diese Frequenz ωE,i aufweist. The invention solves this problem by a set for performing an SERS measurement with a SERS substrate described herein and a laser for emitting laser radiation, which is used in particular as excitation radiation, and having a wavelength of ω E, i ± 50 nm , preferably ± 20 nm, more preferably ± 10 nm. The excitation wavelength ω E, i was found to be the optimum excitation wavelength to detect the desired scattered radiation shifted in frequency by the Stokes shift. It is therefore optimal if the laser radiation which can be emitted by the laser has exactly this frequency ω E, i .
Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt:With the aid of a drawing, an embodiment of the present invention will be explained in more detail below. It shows:
Durch einen ersten Pfeil
Ein zweiter Pfeil
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- SERS-SubstratSERS substrate
- 22
- Trägercarrier
- 44
- Oberflächesurface
- 66
- Substratsubstratum
- 88th
- Analytanalyte
- 1010
- erster Pfeilfirst arrow
- 1212
- zweiter Pfeilsecond arrow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- US 2010/0085566 A1 [0009] US 2010/0085566 A1 [0009]
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