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Fachartikel aus Labor, Analytik und Qualitätskontrolle

14.07.2016

Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V. Hochsensitive Bioanalytik mittels oberflächenverstärkter Schwingungsspektroskopie

Dr. Thomas G. Mayerhöfer Kontakt, Dr. Karina Weber Kontakt, Prof. Jürgen Popp Kontakt, Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V.


Die Schwingungsspektroskopie umfasst eine Gruppe verschiedener Methoden, die in der Analytik wohletabliert sind. Insbesondere die Möglichkeit eine Labelfreie Detektion von anorganischen, organischen und biologischen Stoffen anhand ihrer Struktur und den davon abgeleiteten spezifischen molekularen Eigenschaften zu ermöglichen, zeichnet diese Methoden im Vergleich zu anderen analytischen Methoden besonders aus. Allerdings sind die Wirkungsquerschnitte der einzelnen Methoden sehr unterschiedlich und oft nicht ausreichend, um auch für geringste Stoffmengen und Konzentrationen sensitiv zu sein. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, sich einer zusätzlichen, quasi vorgeschalteten, Licht-Materie Wechselwirkung mit Hilfe von metallischen Nano-Strukturen zu bedienen.

Bei entsprechender Ausgestaltung dieser Nanostrukturen, kann Licht in diese einkoppeln und mit den freien Ladungsträgern (Elektronen) wechselwirken. Diese Wechselwirkung führt dazu, dass zeitlich veränderliche Dichten der freien Ladungsträger erzeugt werden, sogenannte Plasmonen. In der unmittelbaren Umgebung der metallischen Nano-Struktur ruft die Wechselwirkung eine substantielle Erhöhung der Feldstärke und damit der Intensität des einfallenden Lichts hervor, oft um mehrere Größenordnungen. Dieser Mechanismus erhöht dementsprechend bei der oberflächenverstärkten Infrarotspektroskopie (SEIRA) den Absorptionsquerschnitt; umso stärker, je ähnlicher sich die Frequenz des Plasmons und die Frequenz der molekularen Schwingung sind.

Bei der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) kommt noch mindestens ein weiterer Effekt hinzu. Hier kommt nicht nur die Feldverstärkung des einfallenden Lichts zum Tragen, sondern auch das inelastisch gestreute Licht kann eine solche Verstärkung erfahren. Deshalb skaliert der Querschnitt der Raman-Streuung in erster Näherung mit der vierten Potenz der Feldverstärkung, im Unterschied zur IR-Absorption, die proportional zur zweiten Potenz der Feldverstärkung ist. Dazu kommen noch Effekte, die durch die chemische Bindung zwischen Analyt und Metalloberfläche vermittelt werden und die Verstärkung um ein bis zwei weitere Größenordnungen verstärken können.

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