Untersuchungen zur oberflächenverstärkten Raman-Streuung an chemisch modifizierten Metallsubstraten
Creators: name: Kostrewa, Stefan
Publisher: name: Universität Dortmund
Year: 2001
Subjects: subject: surface-enhanced raman scattering (sers)
subject: chemo-optical sensors
subject: cyclodextrins
subject: calixarenes
subject: molecular imprinted polymers
subject: Oberflächenverstärkte Raman-Streuung
subject: BioSERS
subject: Chemo-optische Sensoren
subject: Cyclodextrine
subject: Calixarene
subject: Molekular geprägte Polymere
subject: 540

description: Chemo-optische Sensoren enthalten oberflächengebundene Rezeptorschichten, die Analyte aufnehmen und mit geeigneten spektroskopischen Methoden entsprechende optische Signale liefern können. Eine Immobilisierung dieser Rezeptorschichten auf nanostrukturierten Metallschichten erlaubt zur Untersuchung der Adsorptionsvorgänge den Einsatz der oberflächenverstärken Raman-Streuung (SERS). Auf diese Weise kann die Adsorption mit einer analytspezifischen und empfindlichen Detektionsmethode gekoppelt werden und so den Nachweis kleinster Analytmengen ermöglichen.Im Rahmen dieser Arbeit wurden unterschiedliche Strategien zur Herstellung von Rezeptormolekülen und -schichten auf geeigneten Substraten verfolgt und deren Adsorptionseigenschaften mit Hilfe der SERS-Spektroskopie untersucht. Als Rezeptorschichten wurden Käfigmoleküle wie Cyclodextrine oder Calixarene, molekular geprägte Polymere sowie biologisch aktive Moleküle verwendet. Die kommerziell erhältlichen Käfigmoleküle gehen keine Bindung an die Metalloberflächen der SERS-Substrate ein. Daher mußten zuerst in z.T. mehrstufigen Synthesen funktionelle Gruppen eingeführt werden, die eine dauerhafte Kopplung der Käfige an die Substrate ermöglichen. Bei den Cyclodextrinen wurden Edukte mit sechs, sieben und acht Glucose-Einheiten (a-, b- und g-Cyclodextrin) zu Thiolcyclodextrinen derivatisiert. Die erzielten Ausbeuten lagen aufgrund von Reinigungszyklen zwischen 20 und 30 %. Nach Immoblisierung dieser Verbindungen auf SERS-aktiven Oberflächen konnten Analyte aus der Gasphase an die Substrate adsorbiert werden. Zu den nachgewiesenen Verbindungen zählten halogenierte Kohlenwasserstoffe, substituierte einkernige aromatische Verbindungen sowie die kondensierten Aromaten Naphthalin und Anthracen. Hierbei bestand ein enger Zusammenhang zwischen den Größen von Analyt und Hohlraum des Cyclodextrins. Die in der Rezeptorschicht adsorbierten Moleküle lieferten im SERS-Spektrum charakteristische Schwingungsbanden. Eine Identifizierung der adsorbierten Verbindung konnte anhand der Raman-Spektren von Reinsubstanzen vorgenommen werden. In Abhängigkeit von der Gasphasenkonzentration stellte sich das Adsorptionsgleichgewichtes teilweise innerhalb weniger Minuten ein. Die gebildeten Einschlußkomplexe waren so stabil, daß sie nur durch Spülen mit Wasser wieder zersetzt werden konnten. Wegen dieser Anfälligkeit gegenüber Wasser konnten mit Cyclodextrin beschichtete SERS-Substrate nicht zu Messungen in wäßrigen Medien eingesetzt werden.Für die Messungen in wäßrigen Medien wurden Calixaren-Beschichtungen verwendet. Dimethyl((thiocarbamoyl)oxy)calixarene ließen sich in Ausbeuten um 50 % synthetisieren und zeigten nach der Immobilisierung auf SERS-Substraten sehr gute Adsorptionseigenschaften für verschiedene Analyte. Untersucht wurden die Aufnahme von BTXE-Aromaten aus der Gasphase und von diversen Nitroaromaten aus der wäßrigen Phase. Am Beispiel der Pikrinsäure wurde das Ansprechverhalten der Sensorschicht für unterschiedliche Konzentrationen und die Reversibilität der Adsorption untersucht. Der qualitative Nachweis von 250 ppb Pikrinsäure in Wasser gelang innerhalb weniger Minuten. Die resultierenden Wirts-Gast-Komplexe waren nicht so stabil wie die mit Cyclodextrinen und daher leichter und schneller, z.B. durch Verdünnung, wieder aufzubrechen.Die Selektivität der verwendeten Käfigmoleküle gegenüber Analyten beruhte überwiegend auf ihrer Größe. Eine weitaus selektivere Adsorption ließ sich durch den Einsatz von molekular geprägten Polymeren (Molecular Imprinted Polymers) als Rezeptorschicht erreichen. Mit ersten MIP-beschichteten SERS-Substraten konnte das Auswaschen und die anschließende Wiederbelegung mit Z-L-Asparaginsäure eindeutig anhand der Schwingungbanden nachgewiesen werden. Diese Art von Beschichtungen läßt sich leicht auf verschiedene analytische Problemstellungen anpassen, indem bei der Synthese des Polymers die entsprechenden Template eingebaut werden. Auf den hier verwendeten Substraten lagen die Polymere nur physisorbiert vor und lösten sich nach einer gewissen Zeit vom Metall ab. Daher werden MIPs benötigt, die eine stabile kovalente Bindung an die Metalloberflächen eingehen können. Weitere Untersuchungen sollten darauf hinzielen, bei der Synthese Monomere einzusetzen, die geeignete funktionelle Gruppen, wie etwa Disulfide, zur Kopplung an die Metalle aufweisen.Die Untersuchungen an den biologischen Systeme sollten dazu beitragen, Grundlagen für bio-optische Sensoren zu schaffen, die den selektiven Nachweis geringster Substanzmengen mit hoher Ortsauflösung erlauben.Die Komplexierung von (+)-Biotin an Streptavidin wurde an einem kommerziell erhältlichen Streptavidin-gelabelten Goldkolloid untersucht. Das im Mikromaßstab durchgeführte Experiment führte zu charakteristischen Änderungen in den SERS-Spektren. Im Laufe der Komplexierungsreaktionen traten immer wieder unterschiedlichste Störungen, wie etwa Aggregation oder Sedimentation des Hydrosols, auf. Trotzdem zeigte sich, daß Proteinreaktionen grundsätzlich und unter gewissen Voraussetzungen sogar in-situ mit SERS nachweisbar sind.Bei den Untersuchungen an Oligonukleotid-Proben konnte gezeigt werden, daß der markierungsfreie Nachweis von Hybridisierungsreaktionen komplementärer Nukleotid-Einzelstränge mit Hilfe der SERS-Spektroskopie möglich ist. Native Sequenzen verlieren aufgrund der Bindung an der Metalloberflächen ihre biologische Aktivität. Werden jedoch Nukleotid-Sequenzen verwendet, die am 5'-terminalen Ende des Zucker-Phosphat-Gerüstes mit einer Thiolgruppe derivatisiert wurden, dann bleibt auch nach der Immobilisierung die biologische Aktivität erhalten.Auf dieser Basis sind die Vorbedingungen für oberflächengebundene DNA-Sonden gegeben, die einen schnellen, eindeutigen und markierungsfreien Nachweis von Hybridisierungsreaktionen erlauben.Die hier untersuchten Rezeptorschichten zeigen durch die Adsorption unterschiedlicher Analyte die Möglichkeit des Einsatzes als chemo-optische Sensoren auf der Basis der SERS-Spektroskopie.Durch die Verwendung von optimierten Nanostrukturen sollten sich Einflüsse der Substratmorphologie auf die Spektren reduzieren lassen. Die oberflächenverstärkten Felder solcher Substrate zeigen im Vergleich zu stochastisch strukturierten Oberflächen größere Reichweiten und bessere Verstärkungen. Aufgrund des technologisch aufwendigen elektronenstrahllithographischen Herstellungprozesses sind diese Substrate derzeit jedoch nur in Kleinstserien herstellbar. Bei den Rezeptorschichten zeigten Calixarene und geprägte Polymere sehr gute Adsorptionseigenschaften. Um stabilere Beschichtungen zu erhalten, sind in diesem Bereich weitere präparative Arbeiten vonnöten.Eine räumliche Trennung von Meßort und Spektrometer kann durch die Immobilisierung der Rezeptorschichten auf die Endflächen von Lichtleitfasern erzielt werden. Bei rückseitiger Anregung der SERS-aktiven Schicht können dann Laser- und gestreute Strahlung in einer einzelnen Faser geführt werden. Hierdurch entsteht ein kompakter apparativer Aufbau mit einer Minimierung der freilaufenden Laserstrahlung. Erste Untersuchungen zu faseroptischen SERS-Sensoren zeigten die Möglichkeit, SERS-aktive Metallfilme auf Faserendflächen herzustellen und dort immobilisierte Testverbindungen zu detektieren. Die Adsorptionseigenschaften von Rezeptorschichten auf 'klassischen' SERS-Substraten liessen sich derzeit noch nicht auf diese Fasersensoren übertragen. Eine Optimierung des Aufbaus der SERS-aktiven Faserendflächen bietet jedoch auch in diesem Bereich Möglichkeiten für interessante künftige Untersuchungen.