DE102016101001A1

DE102016101001A1 - Vorrichtung zur Detektion und Charakterisierung von organischen Molekülen in einem flüssigen Probenvolumen

Info

Publication number: DE102016101001A1
Application number: DE102016101001.4A
Authority: DE
Inventors: Tom W.H. Oates; Dirk Janasek; Karsten Hinrichs; Christoph Kratz
Original assignee: Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-01-22
Also published as: WO2017125374A1; DE102016101001B4

Abstract

Mit einer Vorrichtung zur Detektion und Charakterisierung von organischen Molekülen in einem flüssigen Probenvolumen im Mikro- und Submikroliter-Bereich mittels Raman- und Infrarotspektroskopie, insbesondere mittels RR, SERS, SECARS und SEIRA soll eine einfache Detektion und Charakterisierung von organischen Molekülen mit einer Konzentration unterhalb des ppm-Bereiches in einem flüssigen Probenvolumen im Mikro- und Submikroliter-Bereich aufgrund der Schwingungseigenschaften der Moleküle mittels der vorgenannten Verfahren der Raman-Spektroskopie und der Infrarotspektroskopie in einer einzigen Vorrichtung erreicht werden. Dies wird durch einen Mikrofluidikchip (2) mit wenigstens einem nach oben offenen Mikrofluidikkanal (3) zum Durchströmen des Probenvolumens und durch eine den wenigstens einen Mikrofluidikkanal (3) abdeckende, als Messfenster dienende transparente Platte (7), welche auf der dem wenigstens einen Mikrofluidikkanal (3) zugewandten Seite mit einem Metallinselfilm beschichtet ist, und durch eine auf die Platte (7) gerichtete Detektionsoptik (14) erreicht, welche Licht auf die Platte (7) strahlt und die reflektierten Lichtstrahlen empfängt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion und Charakterisierung von organischen Molekülen in einem flüssigen Probenvolumen im Mikro- und Submikroliter-Bereich mittels Raman- und Infrarotspektroskopie, insbesondere mittels RR (resonanter Ramanspektroskopie), SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy), SECARS (surface-enhanced coherent anti-Stokes Raman spectroscopy) und SEIRA (surface-enhanced infrared absorption).
Im Bereich der Infrarot-Absorptionsspektroskopie an mikrofluidischen Kanälen sind Konzepte mit speziell für diesen Zweck gefertigten Transmissionskomponenten unter Verwendung der oberflächenverstärkten Infrarotabsorption bekannt. Der Nachteil dieser Transmissionskomponenten besteht in der Verwendung von kostenintensiven Materialien und strengen Desgin-Limitationen für die Mikrofluidikkanäle. Für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung existieren verschiedene Konzepte zur Untersuchung in mikrofluidischen Komponenten. Kombinierte Infrarot- und Raman-Konzepte für die Mikrofluidik sind bisher nicht bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Detektion und Charakterisierung von organischen Molekülen mit einer Konzentration unterhalb des ppm-Bereiches in einem flüssigen Probenvolumen im Mikro- und Submikroliter-Bereich aufgrund der Schwingungseigenschaften der Moleküle mittels der vorgenannten Verfahren der Raman-Spektroskopie und der Infrarotspektroskopie in einer einzigen Vorrichtung erreichen zu können.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art gelöst durch einen Mikrofluidikchip mit wenigstens einem nach oben offenen Mikrofluidikkanal zum Durchströmen des Probenvolumens und durch eine den wenigstens einen Mikrofluidikkanal abdeckende, als Messfenster dienende transparente Platte, welche auf der dem wenigstens einen Mikrofluidikkanal zugewandten Seite mit einem Metallinselfilm beschichtet ist, und durch eine auf die Platte gerichtete Detektionsoptik, welche Licht auf die Platte strahlt und die reflektierten Lichtstrahlen empfängt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich somit zur Auswertung der an der Grenzfläche zwischen dem Metallinselfilm und dem Probenvolumen reflektierten Lichtstrahlung. Die unterschiedlichen Topologien des Metallinselfilms vermitteln mittels ihrer optischen Eigenschaften Verstärkungseffekte für die simultane Nutzung von Verfahren der Raman-Spektroskopie und der Infrarotspektroskopie. Dabei erlaubt die Verwendung einer solchen Rückseitenreflexionsgeometrie die Herstellung des eigentlichen Mikrofluidikchips aus einem kostengünstigen Polymermaterial, weil der Mikrofluidikchip selbst nicht vom einfallenden Licht durchdrungen wird und somit keine Auswertung der Transmission erfolgt. Die Vorrichtung ist somit als Zubehör zur Raman- und IR-Spektroskopie mit abbildenden Optiken, optischen Fasern und/oder der Verwendung von brillanten Strahlungsquellen (z.B. Gas-Laser, QCLs) geeignet. Da die Vorrichtung eine kombinierte Infrarot- und Raman-Analyse möglich macht, wird eine gegenüber einem einzigen Messverfahren höhere Erkennungsrate für die Diagnostik ermöglicht. Außerdem ist der Probenverbrauch sehr gering und liegt z.B. im Submikroliter-Bereich.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Mikrofluidikchip und die Platte auswechselbar in einer gemeinsamen Halteeinrichtung angeordnet sind. Dadurch wird die Handhabung erleichtert, insbesondere kann der Mikrofluidikchip auf einfache Weise ausgetauscht werden.
Die transparente Platte muss selbstverständlich aus einem Material gewählt werden, das sowohl für sichtbares Licht (Raman-Spektroskopie) als auch für Infrarot durchlässig ist. Bevorzugt ist deshalb vorgesehen, dass die Platte aus Calciumfluorid, Bariumfluorid oder Zinkselenid besteht.
Dagegen kann der Mikrofluidikchip aus kostengünstigen Materialien bestehen. Bevorzugt besteht er z.B. aus Kunststoff (Polymermaterial) oder Glas.
Der Metallinselfilm kann grundsätzlich aus verschiedenen Metallen bestehen. Besonders bevorzugt werden Gold oder Silber verwendet. Andere Metalle, z.B. Platin, sind ebenfalls geeignet.
Der Metallinselfilm kann grundsätzlich auf verschiedene Weise auf die Platte aufgebracht werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Metallinselfilm durch thermisches Verdampfen unter Hochvakuumbedingungen auf die Platte aufgebracht ist, d.h. aufgedampft ist. Alternativ können auch kollodiale Lösungen oder Ätzverfahren zur Herstellung eingesetzt werden. Die einzelnen Metallinseln weisen Abmessungen in einer Größenordnung von 20 bis 100 nm auf, der wenigstens eine Mikrokanal des Mikrofluidikchips hat dagegen eine Breite in der Größenordnung von 50 bis 100 µm. Die Bedeckung der Platte im Bereich des Messfensters mit dem Metallinselfilm liegt gegenüber der Gesamtfläche im Messfenster für Infrarot bei etwa 80 bis 90 %, für Raman reicht eine wesentlich geringere Bedeckungsrate aus.
In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Metallinselfilm durch eine ultradünne Schutzschicht abgedeckt ist. Diese, einige nm dicke Schutzschicht, die z.B. aus Siliciumoxid besteht, ermöglicht die mehrfache Verwendbarkeit und Reinigung der den Mikrofluidikkanal abdeckenden Platte.
In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass auf den Metallinselfilm bzw. die Schutzschicht eine ultradünne organische funktionale Schicht aufgebracht ist. Durch eine derartige ultradünne (einige nm dicke) organische funktionale Schicht in Form von Molekülen lassen sich spezifische Moleküle im Probenvolumen erkennen, so dass dadurch ein funktionaler Biosensor realisierbar ist.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt,
2 ein vergrößertes Detail A in 1,
3 eine schematische Darstellung eines isotropen Metallinselfilmes auf der Platte der Vorrichtung und
4 eine schematische Darstellung eines an isotropen Metallinselfilmes auf der Platte der Vorrichtung.
Eine Vorrichtung zur Detektion und Charakterisierung von organischen Molekülen in einem flüssigen Probenvolumen im Mikro- und Submikroliter-Bereich mittels oberflächenverstärkter Raman- und Infrarot-Spektroskopie ist allgemein mit 1 bezeichnet. Diese Vorrichtung 1 ist insbesondere für die folgenden Spektroskopieverfahren geeignet:
RR (resonanter Ramanspektroskopie), SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy), SECARS (surface-enhanced coherent anti-Stokes Raman spectroscopy) und SEIRA (surface-enhanced infrared absorption).
Die Vorrichtung 1 weist zunächst einen Mikrofluidikchip 2 auf, in dessen Oberseite wenigstens ein Mikrofluidikkanal 3 vorgesehen ist. Dieser Mikrofluidikkanal 3 steht beim Ausführungsbeispiel an seinem Eingang mit einem von der Unterseite des Mikrofluidikchips 2 zugänglichen Einlass 4 und am Ausgang mit einem von der Unterseite des Mikrofluidikchips 2 zugänglichen Auslass 5 in Verbindung, so dass sich eine Durchströmungsrichtung für die flüssige Probe im Mikrofluidikkanal 3 im Sinne der Pfeile 6 ergibt.
Wenigstens der Bereich des Mikrofluidikkanals 3, vorzugsweise aber der gesamte Mikrofluidikchip 2, sind an der Oberseite von einer als Messfenster dienenden transparenten Platte 7 abgedeckt. Diese zumindest für Infrarotlicht und sichtbares Licht transparente Platte 7 ist auf der dem Mikrofluidikkanal 3 zugewandten Seite mit einem Metallinselfilm beschichtet, die Metallinseln sind mit 8 bezeichnet und schematisch angedeutet.
Diese Metallinseln 8, die vorzugsweise aus Gold oder Silber oder auch aus Platin bestehen, können auf unterschiedliche Weise auf die Unterseite der Platte 7 aufgebracht sein, z.B. durch Aufdampfen aus Hochvakuum. Alternativ können auch kollodiale Lösungen oder Ätzverfahren verwendet werden.
Zur ortsfesten Verbindung der Platte 7 mit dem Mikrofluidikchip 2 ist eine wannenförmige Halteeinrichtung 9 vorgesehen, an deren Unterseite im Bereich des Einlasses 4 eine Öffnung 10 und im Bereich des Auslasses 5 eine Öffnung 11 ausgespart sind, um die Probe zu- und abführen zu können. Im oberen Randbereich 12 der Seitenwand der Halteeinrichtung 9 sind ein oder mehrere höhenverstellbare Klemmplatten 13 vorgesehen, welche mit ihrer Unterseite klemmend an der Oberseite der Platte 7 anliegen und sowohl den Mikrofluidikchip 2 als auch die Platte 7 ortsfest in der Halteeinrichtung 9 aufnehmen.
Die Vorrichtung 1 weist darüber hinaus eine Detektionsoptik 14 auf, die unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Die Detektionsoptik 14 ist eine abbildende Optik (z.B. Linsen- oder Spiegelobjektive), die der Fokussierung des einfallenden Lichtes auf die Probe, d.h. auf die Platte 7 dient. Die einfallenden Lichtstrahlen sind mit 15 angedeutet. Das an der Oberfläche des Mikrofluidikkanals 3 bzw. des Metallinselfilmes reflektierte Licht kann durch die gleiche oder eine separate Optik in Reflexion auf einen nicht dargestellten Detektor geleitet werden, die reflektierten Strahlen sind mit 16 angedeutet. Der nicht dargestellte Detektor ist Bestandteil eines ebenfalls nicht dargestellten Spektrometers, z.B. eines dispersiven oder inteferometrischen Spektrometers.
Der Metallinselfilm weist eine Vielzahl von Metallinseln 8 auf, wobei die Größenordnung dieser Metallinseln 8 z.B. zwischen 20 und 100 nm liegt, während die Breite des Mikrofluidikkanales 3 etwa 100 µm beträgt. Die Anordnung der Metallinseln 8 ist grundsätzlich beliebig. Der Bedeckungsgrad der Unterseite der Platte 7 liegt bei maximal etwa 80 bis 90 %.
Um den Metallinselfilm sowohl für Raman als auch für Infrarot nutzen zu können, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten.
Eine erste Möglichkeit ist in 3 dargestellt. Der Inselfilm ist isotrop ausgebildet. Das Substrat zeigt in diesem Fall sowohl eine Raman als auch eine Infrarot-Verstärkung. Die Polarisationsrichtung des Lichtes, welches jeweils durch einen Doppelpfeil für Infrarot (Bezugszeichen 17) und Raman (Bezugszeichen 18) angedeutet ist, ist irrelevant und kann auch unpolarisiert sein.
Eine isotrope Anordnung ist in 4 dargestellt. Dabei ist eine Polarisationsrichtung für Raman (Bezugszeichen 18) und eine Richtung für Infrarot (Bezugszeichen 17) optimiert. In 4 sind somit die beiden Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander. Es können aber auch andere, nicht zueinander senkrecht liegende Richtungen sein, so lange die eine für Infrarot und die andere für Raman optimal ausgebildet ist.
Zur Durchführung einer Probenanalyse wird das Probenvolumen im Mikro- oder sogar nur Submikroliterbereich durch den Mikrofluidikkanal 3 gefördert. Währenddessen kann das einzige Probenvolumen nacheinander mit verschiedenen Raman- und Infrarotmikroskopen gemessen werden oder auch im gleichen Aufbau für Raman und Infrarot.
Aufgrund des Aufbaus der Vorrichtung 1 können herkömmliche Mikrofluidikchips 2 aus Kunststoff (bevorzugt Polymermaterial) oder Glas verwendet werden. Die transparente Platte 7 muss für Infrarot und sichtbares Licht transparent sein und besteht bevorzugt aus Calciumfluorid (CaF₂), Bariumfluorid (BaF₂) oder Zinkselenid (ZnSe). Selbstverständlich sind auch andere für Infrarot und sichtbares Licht transparente Materialien möglich.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Mikrofluidikchip
3: Mikrofluidikkanal
4: Einlass
5: Auslass
6: Pfeile
7: Platte
8: Metallinsel
9: Halteeinrichtung
10: Öffnung
11: Öffnung
12: oberer Randbereich
13: Klemmplatte
14: Detektionsoptik
15: einfallende Lichtstrahlen
16: reflektierte Lichtstrahlen
17: Infrarot-Polarisationsrichtung
18: Raman-Polarisationsrichtung

Claims

Vorrichtung zur Detektion und Charakterisierung von organischen Molekülen in einem flüssigen Probenvolumen im Mikro- und Submikroliter-Bereich mittels Raman- und Infrarotspektroskopie, insbesondere mittels RR, SERS, SECARS und SEIRA, gekennzeichnet durch einen Mikrofluidikchip (2) mit wenigstens einem nach oben offenen Mikrofluidikkanal (3) zum Durchströmen des Probenvolumens und durch eine den wenigstens einen Mikrofluidikkanal (3) abdeckende, als Messfenster dienende transparente Platte (7), welche auf der dem wenigstens einen Mikrofluidikkanal (3) zugewandten Seite mit einem Metallinselfilm beschichtet ist, und durch eine auf die Platte (7) gerichtete Detektionsoptik (14), welche Licht auf die Platte (7) strahlt und die reflektierten Lichtstrahlen empfängt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrofluidikchip (2) und die Platte (7) auswechselbar in einer gemeinsamen Halteeinrichtung (9) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (7) aus Calciumfluorid, Bariumfluorid oder Zinkselenid besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrofluidikchip (2) aus Kunststoff oder Glas besteht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallinselfilm aus Gold oder Silber besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallinselfilm durch thermisches Verdampfen unter Hochvakuumbedingungen auf die Platte (7) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallinselfilm durch eine ultradünne Schutzschicht abgedeckt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Metallinselfilm bzw. die Schutzschicht eine ultradünne organische funktionale Schicht aufgebracht ist.