Die Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) hat in den letzten Jahren aufgrund des steigenden Interesses an der Erfassung von Spuren in Anwendungen wie Umweltsicherheit, Lebensmittelsicherheit und innere Sicherheit große Aufmerksamkeit erhalten. Die Zahl der weltweiten SERS-Veröffentlichungen ist zwischen 2000 und 2011 sprunghaft von etwa 3000 auf 25 000 gestiegen [1]. Die Entwicklung der SERS-Technologie wird durch die Notwendigkeit vorangetrieben, die technische Einschränkung der unteren Nachweisgrenze bei der Raman-Spektroskopie zu überwinden, sowie durch die Anforderung, explosive Verbindungen, chemische Rückstände und biomedizinische Diagnostik im Spurenbereich nachzuweisen.
Es wird allgemein angenommen, dass die Mechanismen der Oberflächenverstärkung entweder auf elektromagnetische Resonanzen zwischen den kollektiven Schwingungen von Plasmonen in Metallpartikeln und dem einfallenden Licht zurückzuführen sind oder auf eine chemische Verstärkung durch den Anstieg der Molekülpolarisation nach der Kopplung mit der Metalloberfläche [2]. Mit den Fortschritten in der Nanotechnologie ist die SERS-Technologie in eine Ära eingetreten, in der SERS-Chips mit hochgradig kontrollierten Nanostrukturen auf einem Substrat aus Metallen wie Gold oder Silber hergestellt werden. Eine andere Art von SERS ist lösungsbasiert und verwendet kolloidale Lösungen von Silber- oder Goldpartikeln.
Für SERS-Entwickler oder Endnutzer von SERS, die an einer bestimmten SERS-Anwendung interessiert sind, muss das Herzstück ihrer experimentellen oder technologischen Plattform ein Raman-Setup sein, das zuverlässige Leistung in Laborqualität bietet und erschwinglich und tragbar ist, damit sie reale Probleme bewältigen können. Die neue Generation dispersiver, tragbarer Raman-Spektrometer hat SERS einen Schritt näher an die praktische Nutzung gebracht. Aufgrund der kleinen Fläche des SERS-Substrats (~5x5 mm²), auf die ein winziger Tropfen der Probenlösung aufgebracht wird, ist eine genaue Laserfokussierung auf der Oberfläche eine wesentliche Voraussetzung für die Raman-Instrumente. Mikroskopische Tisch-Raman-Systeme erfüllen zwar diese Anforderung, aber die Tatsache, dass solche Instrumente nicht transportiert werden können, hindert die SERS-Entwickler daran, ihre Technologien in Umgebungen wie Produktionslinien, Feldtests oder Diagnoseeinrichtungen zu übertragen, in denen die SERS-Analyse durchgeführt werden soll. Auch die hohen Kosten eines Mikro-Raman-Tischgerätes schränken den Einsatz von SERS in der Praxis ein.
Das tragbare Raman-System B&W Tek i-Raman Plus in Verbindung mit einem BAC151 Videomikroskop-Probenahmezubehör in einem BAC152-Lasergehäuse der Klasse 1 ist eine ideale Einrichtung für die SERS-Analyse. Für lösungsbasierte SERS, wenn die Messung direkt durch das Lösungsfläschchen durchgeführt wird, kann der BCR100A Raman-Küvettenhalter mit dem i-Raman Plus verwendet werden.
Hohes Signal-Rausch-Verhältnis für beste Nachweisgrenze
Der B&W Tek i-Raman Plus verfügt über einen back-thinned CCD-Detektor mit TE-Kühlung auf -2 °C. Im Vergleich zu einem herkömmlichen front-illuminierten CCD mit einer Quanteneffizienz von 50 % kann die Quanteneffizienz des back-thinned CCD bis zu 90 % erreichen. Wegen der geringen Effizienz des Raman-Effekts (10-8) ist es wichtig, dass das elektronische Rauschen der CCD-Detektoren im Vergleich zum Raman-Signal sehr gering ist. Durch die TE-Kühlung des CCD-Geräts wird das Rauschen wirksam reduziert: Das Dunkelrauschen halbiert sich bei jeder Verringerung der Gerätetemperatur um 7 °C. Der gekühlte Detektor im i-Raman Plus ermöglicht lange Integrationszeiten von bis zu 30 Minuten. Dadurch erhöht sich die Nachweisgrenze erheblich, und Anwendungen mit geringer Lichtintensität wie SERS werden möglich. Die Laserwellenlänge von 785 nm sollte für die Fluoreszenzreduktion verwendet werden.
Hohe Auflösung zur Trennung von Peaks des Substrats und der Probe
Bei einigen SERS-Chips gibt es intrinsische Raman-Peaks von der leeren SERS-Oberfläche. Wenn die Raman-Peaks des Probenmaterials in der Nähe der Peaks des leeren SERS-Substrats liegen, ist es entscheidend, dass die Raman-Peaks der Probe von den Peaks des SERS-Chips getrennt werden können. Die spektrale Auflösung des i-Raman Plus 785S-Systems beträgt 4,5 cm-1, was ein ausreichendes Auflösungsvermögen bietet, um zwei sehr nahe beieinander liegende Peaks zu unterscheiden. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für zwei eng beieinander liegende Peaks, wobei ein Peak (641 cm-1) mit der leeren SERS und ein Peak (625 cm-1) mit der durch SERS verstärkten Probenlösung korreliert.
Kleine Laserstrahlgröße und präzise Fokussierungskontrolle
Da die SERS-Chips oft sehr klein sind, ist eine kleine Laserstrahlgröße und eine genaue Kontrolle der Laserfokussierung erforderlich. Das mit dem i-Raman Plus gekoppelte Videomikroskop-Zubehör BAC151 bietet eine Laserstrahlgröße von 21 μm bis zu 210 μm, bei Verwendung von Objektiven mit unterschiedlichen Vergrößerungen. Tabelle 1 zeigt die Laserstrahlgröße und den Arbeitsabstand, wenn die Objektivvergrößerung von 10x bis 100x wechselt.
| Objektivvergrößerung | Arbeitsabstand (mm) | Laserstrahlfleckgröße (μm) |
|---|---|---|
| 10x |
16 | 210 |
| 20x | 12 | 105 |
| 50x |
9.15 | 42 |
| 100x | 3.2 | 21 |
Lasersicherheit und Abschirmung von Störungen durch Umgebungslicht
Da viele Arten von SERS-Chips spiegelndes, reflektierendes Licht erzeugen, wenn der Anregungslaserstrahl auf die SERS-Oberfläche gerichtet wird, ist ein Gehäuse erforderlich, das die reflektierten Laserstrahlen abschirmen und gleichzeitig Störungen durch das Umgebungslicht verhindern kann. Zu diesem Zweck bietet das BAC152 ein Gehäuse der Laserklasse 1 für die Lasersicherheit und die notwendige Abschirmung des Umgebungslichts.
Das tragbare Raman-System i-Raman Plus von B&W Tek in Verbindung mit einem BAC151-Videomikroskop-Probenahmezubehör in einem BAC152-Lasergehäuse der Klasse 1 stellt eine ideale Ausrüstung für SERS-Anwendungen dar. Der Aufbau bietet nicht nur ein hohes S/N-Verhältnis für die bestmögliche Nachweisgrenze und eine hohe Auflösung, um Peaks zu trennen, sondern auch eine kleine und einstellbare Laserstrahlgröße sowie eine genaue Fokussierungskontrolle. Nicht zuletzt sorgt das Gehäuse der Laserklasse 1 für die nötige Lasersicherheit und verhindert gleichzeitig die Störung durch Umgebungslicht.
B. Sharma, RR Frontiera, AI Heinrich, E. Ringe und RP Van Duyne, Materials Today, 2012, 15(1-2), 16-25.
S. Botti, S. Almaviva, L. Cantarini, A. Palucci, A. Puu und A. Rufoloni, J. Raman-Spektroskopie, 2013, 44, 463–468.
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