DE102008048342B4 - SERS-Substrat, Verfahren zu seiner Herstellung und Verfahren zum Detektieren eines Analyten mittels SERS - Google Patents

Abstract

Verwendung eines SERS-Substrates (20'), das einen mit Edelmetall (28) beschichteten, flächigen Träger (26) umfasst und eine unter Verwendung gepulster Laserstrahlung nanostrukturierte Oberfläche aufweist, hergestellt durch ein Herstellungsverfahren, umfassend die folgenden Herstellungsverfahrensschritte: – Bereitstellen des Trägers (26), der eine im Wesentlichen ebene Trägeroberfläche aufweist, – Beschichten wenigstens eines Bereichs der Trägeroberfläche mit einem 10 bis 60 Nanometer, nm, starken Edelmetallfilm (28), – Belichten eines Bereichs des Edelmetallfilms (28) mit genau einem ein homogenes Strahlprofil (24) aufweisenden Laserpuls (12) einer Pulslänge zwischen 10 und 30 Nanosekunden, ns, einer Wellenlänge zwischen 150 und 1100 Nanometer, nm, und einer Fluenz größer als 20 Millijoule pro Quadratzentimeter, mJ/cm2, zur Durchführung eines Arbeitsverfahrens zum Detektieren eines Analyten mittels SERS, umfassend die Arbeitsverfahrensschritte: – Bereitstellen eines SERS-Substrates (20'), – Aufbringen einer mutmaßlich den Analyten enthaltenden Substanz auf der SERS-Substratoberfläche, – Bestrahlen der SERS-Substratoberfläche mit Anregungslicht (12) einer ausgewählten Wellenlänge und...

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines mittels eines speziellen Herstellungsverfahrens hergestellten SERS-Substrates, das einen mit Edelmetall beschichteten, flächigen Träge umfasst und eine unter Verwendung gepulster Laserstrahlung nanostrukturierte Oberfläche aufweist, zur Durchführung eines speziellen Arbeitsverfahrens zum Detektieren eines Analyten mittels SERS, wie in Anspruch 1 angegeben.
• Stand der Technik
• SERS-Substrate bzw. deren Herstellungsvorfahren sowie Verfahren zu ihrer Anwendung, nämlich zur Detektion eines Analyten mittels SERS, sind bekannt aus der US 2007/0115469 A1 .
• SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy = oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie) ist eine seit langem bekannte, wenngleich nicht vollständig verstandene Technik zur Detektion bzw. Charakterisierung von Analyten, insbesondere in sehr geringen Mengen. Als Analyt kommen dabei grundsätzlich beliebige feste, flüssige und gasförmige Stoffe isoliert sowie in Gemischen mit anderen Stoffen in Frage.
• Als Raman-Effekt ist eine inelastische Streuung zwischen Licht und Materie bekannt. Licht, welches auf den Analyten fällt, wird an diesem gestreut, wobei je nach Richtung (Stokes oder Anti-Stokes) des inelastischen Energieübertrags die Wellenlänge des gestreuten Lichtes länger oder kürzer als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes sein kann. Es hat sich gezeigt, dass die Intensität des auf diese Weise gestreuten Lichtes stark zunehmen kann, wenn sich die Streuung auf oder an der Oberfläche eines speziell ausgebildeten Substrates abspielt.
• Insbesondere Edelmetalloberflächen, z. B. Gold, Silber, Kupfer, etc., die Erhebungen im Nanometer-Bereich aufweisen, zeigen eine besonders gute Verstärkung des Raman-Signals. Obgleich die zugrunde liegenden Mechanismen noch nicht vollständig verstanden sind, nimmt man an, dass dieser Effekt auf besonders hohen elektrischen Feldstärken beruht, die sich an den als Spitzen wirkenden kleinen Radien der genannten Erhebungen ausbilden. Es ist allerdings keine allgemeingültige Regel bekannt, welcher Art, Größe und/oder Verteilung die Erhebungen sein müssen, um einen besonders guten Verstärkungseffekt zu erzielen. Entsprechend haben sich noch keine allgemeingültigen Verfahren zur Herstellung geeigneter SERS-Substrate durchgesetzt. Vielmehr ist eine Vielzahl vollkommen unterschiedlicher Ansätze zur Erzeugung vollkommen unterschiedlich gestalteter SERS-Substrate bekannt, die jeweils mehr oder weniger gute Verstärkungsergebnisse erzielen. Dabei ist insbesondere die Reproduzierbarkeit der erzeugten Strukturen und der resultierenden Verstärkung ein weitverbreitetes Problem. zudem sind die meisten bekannten Verfahren teuer, aufwendig und aufgrund nass-chemischer Verfahrensschritte nachteilig.
• Die oben genannte US 2007/0115469 A1 offenbart einen auf Laserbestrahlung einer Oberfläche basierenden Ansatz. Insbesondere wird vorgeschlagen, eine Silizium-, Stahl-, Titan- oder Kupferoberfläche mit ca. 100 oder mehr Femtosekunden-Laserpulsen einer Fluenz von ca. 1.000 Millijoule pro Quadratzentimeter, mJ/cm², zu bestrahlen. Diese Parameter gelten für jede einzelne Stelle des Substrates; bei größeren Substraten kann die gesamte Oberfläche auf entsprechende Weise abgerastert werden, wobei jeder einzelnen Position der Oberfläche die vorgenannte Behandlung zuteil wird. Gemäß der genannten Druckschrift erzeugt die Laser-Bestrahlung durch Ablation eine Nanostruktur auf der Oberfläche, die der Überlagerung etlicher Interferenzmuster, die das Laserlicht bei jedem Puls auf der Oberfläche erzeugt, entspricht. In einem nachfolgenden Schritt wird die strukturierte Oberfläche mit einer dünnen Goldschicht belegt, Die Goldschicht muss so dünn sein, dass ihre Oberfläche ebenfalls eine Nanostruktur aufweist. Laut der genannten Druckschrift zeigen solchermaßen hergestellte SERS-Substrate eine gute Verstärkung und eignen sich daher zur Detektion von Analyten in sehr geringen Konzentrationen.
• Nachteilig an dem bekannten Verfahren und entsprechend an den resultierenden SERS-Substraten sowie den mit ihnen durchgeführten Detektionstests, sind die mit der Herstellung verbundenen hohen Kosten. Insbesondere die Femtosekunden-Laser sehr hoher Laserenergie, die zur Herstellung erforderlich sind, sind ausgesprochen teuer. Zudem ist die Feinheit der Oberflächenstruktur des fertigen SERS-Substrates durch den Beschichtungsschritt deutlich limitiert. Selbst bei ausgereiften Beschichtungsverfahren kann die Schärfe und Feinheit der ursprünglich in das Trägermaterial eingebrachten Nanostruktur in der Oberflächenstruktur des Goldfilms nicht erhalten bleiben. Außerdem durfte das Beschichtungsergebnis auf sehr empfindliche Weise von dem Beschichtungswinkel abhängen, sodass nur eine geringe Reproduzierbarkeit zu erwarten ist. Zudem ist die interferenzbasierte Struktur vonder Phasenverteilung im Strahl abhängig, was ebenfalls die Reproduzierbarkeit limitiert.
• Aus der WO 2006/060734 A2 ist ein nasschemisches Verfahren zur Herstellung von SERS-Substraten bekannt, das auf einem Aufwachsen metallischer Nanopartikel durch Reduktion hydrolisierter Metall-Precursor basiert. Die entstehenden SERS-Substrate weisen eine Schicht von im Wesentlichen gleichgroßen, sphäroiden Metallpartikeln mit einem Durchmesser von etwa 40 bis 120 Nanometer, nm, auf.
• Aus Thanawala, S. et al.: ”Excimer laser fabrication of microbumps an platinum thin films” Applied Physics Letters 91, 041912 (2007) ist ein Verfahren zur Herstellung vom Mikrohöckern mit Durchmessern von 2 bis 4 Mikrometer, μm, auf Platinschichten mittels Laser-Projektion einer Lochmaske auf einen platinbeschichteten Borosilikatträger bekannt. Derartige Substrate sind von Interesse für Anwendungen wie die elektrische Stimulierung von Nervenzellen oder als Vorprodukte für Ätzverfahren, bei denen die Metallschicht um die Höcker herum weggeätzt werden soll. Aufgrund ihrer wesentlich größeren Strukturen (Mikrometer- statt Nanometerbereich) sind sie jedoch als SERS-Substrate völlig ungeeignet.
• Aufgabenstellung
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives, Laserbestrahlungs-basiertes Herstellungsverfahren, resultierende SERS-Substrate und SERS-basierte Detektionsverfahren in Kombination zur Verfügung zu stellen, welche zu besser reproduzierbaren und kostengünstigeren Ergebnissen führen als Verfahren und Substrate gemäß dem Stand der Technik.
• Darlegung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst, nämlich durch die Verwendung eines SERS-Substrates (20'), das einen mit Edelmetall (28) beschichteten, flächigen Träger (26) umfasst und eine unter Verwendung gepulster Laserstrahlung nanostrukturierte Oberfläche aufweist, hergestellt durch ein Herstellungsverfahren, umfassend die folgenden Herstellungsverfahrensschritte:
• – Bereitstellen des Trägers (26), der eine im Wesentlichen ebene Trägeroberfläche aufweist,
• – Beschichten wenigstens eines Bereichs der Trägeroberfläche mit einem 10 bis 60 Nanometer, nm, starken Edelmetallfilm (28),
• – Belichten eines Bereichs des Edelmetallfilms (28) mit genau einem ein homogenes Strahlprofil (24) aufweisenden Laserpuls (12) einer Pulslänge zwischen 10 und 30 Nanosekunden, ns, einer Wellenlänge zwischen 150 und 1100 Nanometer, nm, und einer Fluenz größer 20 Millijoule pro Quadratzentimeter, mJ/cm²,
zur Durchführung eines Arbeitsverfahrens zum Detektieren eines Analyten mittels SERS, umfassend die Arbeitsverfahrensschritte:
• – Bereitstellen eines SERS-Substrates (20'),
• – Aufbringen einer mutmaßlich den Analyten enthaltenden Substanz auf der SERS-Substratoberfläche,
• – Bestrahlen der SERS-Substratoberfläche mit Anregungslicht (12) einer ausgewählten Wellenlänge und Intensität,
• – Erfassen des an der SERS-Substratoberfläche gestreuten Streulichtes und
• – Ermitteln von Wellenlängenverschiebungen und Intensität des Streulichtes im Vergleich zu dem Anregungslicht.
• Es hat sich überraschend herausgestellt, dass sich durch die Bestrahlung eines dünnen Edelmetallfilms auf einer ebenen Trägeroberfläche mit einem einzigen Laserpuls der obengenannten Eigenschaften auf einfache, kostengünstige und reproduzierbare Weise ein funktionstüchtiges SERS-Substrat herstellen lässt, welches eine hohe Raman-Verstärkung zeigt.
• Insbesondere hat sich herausgestellt, dass der beobachtete Effekt mit einer Mehrzahl von Pulsen geringerer Fluenz nicht erreichbar ist; andererseits hat sich gezeigt, dass bereits die Verwendung eines zweiten Pulses der genannten Parameter auf dieselbe Oberflächenposition den erzielten Effekt wenigstens teilweise wieder zunichte macht. Welche speziellen physikalischen Mechanismen hier die wesentliche Rolle spielen, ist noch nicht verstanden.
• Das resultierende SERS-Substrat zeigt die oben genannten mechanischen Eigenschaften, die für die optimale Verstärkungswirkung des Substrats wesentlich zu sein scheinen.
• Es ist offensichtlich, dass die einfache Durchführbarkeit des erfindungsbezogenen Herstellungsverfahrens die Kosten der Verstellung und damit der SERS-Substrate selbst dramatisch senkt. Insbesondere sind Nanosekunden-Laser, die auf dentypischerweise kleinen Oberflächen von SERS-Substraten die genannten Fluenzen zu erzeugen in der Lage sind, wesentlich billiger als die für das Verfahren gemäß dem Stand der Technik benötigten Femtosekunden-Laser sehr hoher Leistung. Zudem kann das Abrastern größerer Flächen schnell erfolgen, da an jeder Rasterposition nur ein einziger Laserpuls appliziert werden muss.
• Die oben genannte Fluenz von 20 mJ/cm² stellt eine absolute Minimalgrenze zur Erreichung des erfindungsgemäßen Effektes dar. In vielen Fallen kann es jedoch sein, dass eine höhere Fluenz zu wählen ist, da die optimale Fluenz, wie weiter unten noch detaillierter erläutert werden soll, von mehreren Parametern abhängig ist. Als ein praktikables Kriterium für die Ermittlung der geeigneten Mindestfluenz bei gegebenem Versuchsaufbau, umfassend insbesondere Art und Schichtdicke der Edelmetallbeschichtung, Laser-Wellenlänge, Pulslänge und Strahlführung, hat sich erwiesen, die Fluenz so einzustellen, dass sie größer als diejenige Fluenz ist, die erforderlich ist, um die Edelmetallbeschichtung auf einem Träger, der eine ohne optische Hilfsmittel wahrnehmbare Anfangstransparenz aufweist, so zu modifizieren, dass das erzeugte Substrat dieselbe ohne optische Hilfsmittel wahrnehmbare Anfangstransparenz aufweist. Erzeugt man nämlich mit einem gegebenen Versuchsaufbau unterschiedliche SERS-Substrate unter Verwendung unterschiedlicher, wachsender Fluenz, stellt man fest, dass die dem bloßen Auge erscheinende Transparenz des Substrätes zunächst zunimmt, bis das Substrat ebenso transparent erschein, wie der Träger vor seiner Beschichtung. Bei weiter steigender Fluenz nimmt die Transparenz hingegen wieder ab. Die Fluenz, die diese maximale Transparenz erzeugt, kann als Minimalfluenz für die Erzeugung erfindungsbezogener SERS-Substrate angesehen werden. Es ist noch nicht genau geklärt, worauf das beobachtete Verhalten beruht. Insbesondere ist unklar, ob die mit bloßem Auge erkennbare maximale Transparenz auf einer vollständigen Ablation des Edelmetallfilms oder darauf beruht, dass sich eine Schicht weit voneinander beabstandeter, vergleichsweise großer, jedoch unterhalb der Auflösung des menschlichen Auges liegender Partikel bildet. In jedem Fall tritt der die Erfindung begründende Effekt erst jenseits der entsprechenden Minimalfluenz ein.
• Der Fachmann wird in der Regel bemüht sein, möglichst geringe Fluenzen zu verwenden, da höhere Fluenzen deutlich größere und damit teurere Laser und/oder eine Verkleinerung des simultan bearbeitbaren Substratbereichs erfordern. Die konkret einzustellende Fluenz ist sowohl von der Schichtdicke des Edelmetallfilms, von dem gewählten Edelmetall und von der Wellenlänge des Laserlichtes abhängig. Beispielsweise hat sich bei Applikation eines 20 ns Laserpulses Wellenlänge von 193 nm auf eine Goldschicht von 20 nm Dicke eine Fluenz von etwa 110 mJ/cm² als optimal herausgestellt, während eine Fluenz von etwa 250 mJ/cm² bei einer Wellenlänge von 308 nm und ansonsten gleichen Parametern optimal zu sein scheint. Eine Änderung der Schichtdicke zu 40 nm und im übrigen gleichen Parametern wie im zuletzt genannten Fall führt zu einer optimalen Fluenz von 300 mJ/cm² oder mehr. Der Fachmann wird beim Aussuchen der besten Parameterkonstellation die absorbierbare Photonenenergie des Lichtes und unter Berücksichtigung der Absorbanz des Edelmetallfilms sowie die steigende Wärmedissipation bei wachsender Schichtdickeberücksichtigen. Es hat sich eine im Wesentlichen lineare Abhängigkeit der optimaler Weise zu verwendenden Fluenz von der Schichtdicke des Edelmetallfilms einerseits und vom Kehrwert der Absorbanz des Edelmetallfilms andererseits gezeigt. Der Fachmann kann somit, ausgehend von den hier konkretisierten Beispielen, die für seinen konkreten Fall anzuwendenden Parameter leicht inter- bzw. extrapolieren.
• Wie erwähnt, wird das erfindungsbezogene Herstellungsverfahren durchgeführt mit einem Laserpuls, der ein homogenes Strahlprofil aufweist. Zur Homogenisierung von Strahlprofilen sind dem Fachmann verschiedene Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise können Zylinderlinsen-Arrays in Kombination mit einer Feldlinse verwendet werden, um verschiedene Profilbereiche eines aufgeweiteten Laserstrahls in einem kleinen Bearbeitungsfeld zu überlagern und so eine Homogenisierung des Beleuchtungsfeldes zu erreichen. Insbesondere bei Lasern mit geringer Kohärenzlänge, wie beispielsweise Excimer-Lasern, ist dabei keine Interferenzbildung zu befürchten, die anstelle der Homogenisierung ein scharfes Interferenzmuster erzeugen würde. Eine derartige Musterung der Beleuchtungsstärke würde zu einem gemäß dem Interferenzmuster räumlich strukturierten Aufschmelzen des Edelmetallfilms und zur Ausbildung grober Strukturen, nämlich gemäß dem Interferenzmuster, führen. Dabei wird nur ein Teil des Musters, nämlich die mit der geeigneten Fluenz bestrahlten Bereiche, den gewünschten Verstärkungseffekt zeigen; die Gesamtverstärkung des Substrats wäre suboptimal. Allerdings sind dem Fachmann auch Mittel und Wege, z. B. ein sog. Gauss-to-Flat-Top-Konverter, bekannt, das Strahlprofil eines Lasers mit großer Kohärenzlänge, z. B. eines YAG-Lasers, zu SERS-Experimente mit dem erfindungsbezogenen Substrat durchgeführt werden.
• Die erzeugten Edelmetallpartikel der Basisschicht heben eine mittlere Partikelgröße zwischen 30 und 100 Nanometer. Es hat sich gezeigt, dass die eine besonders gute Verstärkung erzielt wird, wenn die Partikelgröße mit einer Halbwertsbreite von nicht mehr als 37% der mittleren Partikelgröße um diese streut. Mit anderen Worten ist die Halbwertsbreite einer Partikelgrößen-Verteilung nicht größer als 37% der mittleren Partikelgröße.
• Weiter bildet sich auf der Basisschicht eine Sekundärschicht aus vereinzelten und/oder zu kleinen Clustern gruppierten, sphäroiden Edelmetallpartikeln mit Durchmessern von mehreren hundert Nanometern aus. Es ist bislang unklar, ob und inwieweit diese Sekundärschicht zur SERS-Verstärkung beiträgt. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass vorteilhaft funktionierende SERS-Substrate eine solche Sekundärschicht aufweisen. Es wird jedoch angenommen, dass die wesentlichen Verstärkungseffekte von der Basisschicht erzielt werden, sodass auch SERS-Substrate ohne die genannte Sekundärschicht vorteilhafte Effekte zeigen.
• Günstigerweise besteht die Trägeroberfläche, auf der die Edelmetallbeschichtung aufgebracht wird, aus Glas, insbesondere Quarzglas, Silizium oder Kunststoff, wobei besonders bevorzugt der gesamte Träger aus einem dieser Stoffe besteht.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
• Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Es zeigen:
• 1: eine schematische Darstellung des optischen Aufbaus zur Durchführung des erfindungsbezogenen Herstellungsverfahrens,
• 2; eine detailliertere Darstellung eines Ausschnitts aus dem Aufbau von 1,
• 3: eine schematisierte Schnittdarstellung durch ein erfindungsbezogenes SERS-Substrat,
• 4: eine schematische Draufsicht auf ein schematisiertes SERS-Substrat,
• 5: eine beispielhafte Darstellung mit verschiedenen Substraten erreichter SERS-Verstärkungen als Funktion der Fluenz bei Anwendung des erfindungsbezogenen Herstellungsverfahrens mit einer Laser-Wellenlänge von 193 Nanometern im Vergleich zu einem nicht erfindungsbezogenen Herstellungsverfahren,
• 6: eine beispielhafte Darstellung mit verschiedenen Substraten erreichter SERS-Verstärkungen als Funktion der Fluenz bei Anwendung des erfindungsbezogenen Herstellungsverfahrens mit einer Laser-Wellenlänge von 308 Nanometern und verschiedenen Edelmetallfilm-Schichtdicken.
• 7: die mittleren Partikelgrößen der Basisschichten auf den Substraten von 6.
• Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
• 1 zeigt schematisch einen bevorzugten optischen Aufbau zur Durchführung des erfindungsbezogenen Herstellungsverfahren für SERS-Substrate. Ein Laser 10, der beispielsweise und bevorzugt als Argonfluorid-Excimerlaser ausgebildet ist, erzeugt einen Laserstrahl 12, der im Nanosekunden-Bereich gepulst ist und bevorzugt Pulslängen von 10 bis 30 Nanosekunden, besonders bevorzugt von ca. 20 Nanosekunden aufweist. Bedarfsweise kann der Laserstrahl 12 einen Abschwächer 14 passieren. In der Folge passiert der Laserstrahl 12 eine Strahlaufweitungsoptik 16a, b, die beispielsweise im Fall des Excimerlasers, der typischerweise rechteckige Strahlquerschnitte erzeugt, als geeignet gewähltes Zylinderlinsenpaar ausgebildet ist. Von einer Feldlinse 18 wird der Strahl 17 dann auf den zu bearbeitenden Substrat-Rohling 20 abgebildet. Die Größe des auf dem Substratrohling 20 erzeugten Beleuchtungsflecks hängt von der Brennweite der Feldlinse 18 sowie dem Abstand ab, in dem der Substratrohling 20 angeordnet ist.
• Zwischen der Feldlinse 18 und dem Substratrohling 20 ist bevorzugt ein Homogenisator 22 angeordnet.
• 2 zeigt als Detail des Aufbaus von 1 den Homogenisator 22, der aus zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Zylinderlinsen-Arrays 22a, 22b bestehen kann. Durch die Zylinderlinsen-Arrays wird der Laserstrahl 12 in eine Vielzahl von Teilstrahlen 12', 12'', 12''' aufgespalten, die in der Ebene des Substratrohlings 20 überlagert werden. Auf diese weise lässt sich aus dem typischerweise inhomogenen Strahlprofil 23 des aufgeweiteten Strahls 12 auf der Oberfläche des Substratrohlings 20 ein Beleuchtungsfleck mit einem homogenen Profil 24 erzeugen. Aufgrund der geringen Kohärenzlänge des Excimerlasers bildet sich kein Interferenzmuster aus.
• Der Substratrohling 20 umfasst einen stabilisierenden Träger 26 mit einer Edelmetallbeschichtung 28 (siehe auch 3). Die Edelmetallbeschichtung ist bevorzugt ein Goldfilm von einigen zehn Nanometern Dicke. Das Trägermaterial selbst besteht aus Glas, insbesondere Quarzglas, Silizium oder Kunststoff. Wie weiter unten an zwei konkreten Beispielen, nämlich Schichtdicken von 20 bzw. 40 Nanometern, erläutert, kann die Auswahl der Dicke der Edelmetallbeschichtung Einfluss auf die Qualität des erzeugten SERS-Substrates haben. Es lässt sich ein Trend erkennen, wonach größere Schichtdicken höhere Fluenzen zur Erzeugung eines SERS-Substrates mit optimalen Verstärkungseigenschaften erfordern.
• 3 zeigt in stark vereinfachter und schematisierter Darstellung eine Schnittansicht durch einen Substratrohling 20 vor der Laserbestrahlung (Teilfigur a) sowie ein erzeugtes SERS-Substrat 20' nach der Laserbestrahlung (Teilfigur b). Es wird die gleichmäßige dünne Goldbeschichtung mit einem einzigen Puls aus der Laserquelle 10 bestrahlt. Bei erfindungsgemäßer Wahl von Wellenlänge, Pulslänge und Fluenz entsteht durch die Laserbestrahlung eine Basisschicht 30 aus dicht gepackten Goldpartikeln. Die Partikel haben eine sphäroide Form, wobei im vorliegenden Zusammenhang nicht nur exakte Kugelformen, sondern auch ovale und ellipsoide Formen unter den Begriff ”sphäroid” zusammengefasst sein sollen. Die mittleren Partikeldurchmesser der Basisschicht 30 sind von der gewählten Fluenz abhängig, wobei die Schichtdicke der Beschichtung 28 eine nach oben limitierende Rolle zu spielen scheint. Nähere Ausführungen hierzu werden weiter unten im Zusammenhang mit den 5 bis 7 gegeben.
• Auf der Basisschicht 30 entsteht eine Sekundärschicht aus größeren Edelmetallpartikeln 32, die vereinzelt oder in kleinen Clustern 33 vorliegen. Da angenommen wird, dass die größeren Partikel 32 für die gewünschte SERS-Verstärkung eine untergeordnete Rolle spielen, sind sie in 3b gestrichelt dargestellt, Die größeren Partikel 32 haben typischerweise Durchmesser im Bereich einiger hundert Nanometer.
• 4 zeigt eine schematisierte Draufsicht auf einen Ausschnitt eines erfindungsgemäß erzeugten SERS-Substrates 20. Erkennbar ist die dicht gepackte Basisschicht 30 sowie die teilweise geclusterten größeren Partikel 32 der Sekundärschicht.
• Zur Durchführung des erfindungsbezogenen Herstellungsverfahrens eignen sich als Bestrahlungswellenlänge grundsätzlich jegliche Wellenlängen in denen das Edelmetall der Beschichtung 28 eine hinreichende Absorbanz aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass die Fluenz, die optimale Ergebnisse im Hinblick auf die erzielbare SERS-Verstärkung erzeugt, neben der Dicke der Edelmetallbeschichtung auch von der gewählten Bestrahlungswellenlänge abhängig ist. Die optimale Fluenz ist eine Funktion der absorbierbaren Photonenenergie und kann somit vom Fachmann aus dem Absorptionsspektrum der Edelmetallbeschichtung 28 und der wellenlängenabhängigen Photonenenergie der Bestrahlungswellenlänge ermittelt werden.
• Nachfolgend sollen verschiedene, konkrete Beispiele gegeben werden. 5 zeigt die erzielte SERS-Verstärkung verschiedener SERS-Substrate, die unter Verwendung einer Laser-Wellenlänge von 193 Nanometern mit einer Pulslänge von 20 Nanosekunden und unterschiedlichen Fluenzen hergestellt wurden. Die durch Kreuze markierte Messung markiert die Bestrahlung eines goldbeschichteten Quarzglas-Substratrohlings 20 mit einem einzigen Laserpuls, wobei die X-Achse die jeweils eingestellten Fluenzen bezeichnet. Es ist erkennbar, dass die erzielbare SERS-Verstärkung (dargestellt als Verstärkungsfaktor des Streulichtes an einer Thiophenol-Monolage auf dem SERS-Substrat bei 1074 cm^–1) zunächst mit wachsender Fluenz ansteigt und nach einem geringen Durchschreiten eines Maximums von der Fluenz unabhängig wird. zur Erzeugung eines optimal verstärkenden SERS-Substrats wird daher eine Fluenz von ca. 100 Millijoule pro Quadratzentimeter, bevorzugt 108 Millijoule pro Quadratzentimeter eingestellt. Eine höhere Fluenz führt jedoch ebenfalls noch zu guten Verstärkungen. In 5 durch Kreise dargestellt ist eine analoge Messung, wobei jedoch statt des genau einen Pulses zwei Pulse zur Bestrahlung des Substratrohlings verwendet wurden. Man erkennt, dass die erzielbaren SERS-Verstärkungen auf niedrigem Niveau streuen. Offensichtlich zerstört bereits ein einziger weiterer Puls die für die optimale SERS-Verstärkung günstige Oberflächenstruktur, die mit dem ersten Puls erzeugt wird.
• Man beachte, dass die in den 5–7 durch die Messpunkte gelegten Linien 40, 50, 42, 44, 42', 44', lediglich der leichteren Orientierung dienen. Sie stellen keinesfalls Kurvenanpassungen gemäß einem physikalischen Modell dar. Auch bezeichnen sie keinerlei Interpolation zwischen den einzelnen Messpunkten.
• 6 zeigt zwei zur Messkurve 40 von 5 analoge Messungen, wobei die Wellenlänge zur Bestrahlung des Substratrohlings 20 auf 308 Nanometer eingestellt wurde. Die zur Erzielung optimaler SERS-Verstärkung erforderliche Fluenz liegt bei einer Bestrahlungswellenlänge von 308 Nanometer höher als bei Bestrahlung mit 193 Nanometer. Dies liegt vermutlich an der geringen Photonenenergie der längerwelligen Laserstrahlung sowie der geringeren Absorbanz der Goldbeschichtung bei der größeren Bestrahlungswellenlänge. Allerdings lässt sich bei der Wellenlänge von 308 Nanometern absolut eine um den Faktor 4 bis 8 bessere SERS-Verstärkung erzielen als mit der Wellenlänge von 193 Nanometern (siehe Skala der Y-Achsen in 5 und 6). Das grundsätzliche Verhalten der erzielbaren SERS-Verstärkung in Abhängigkeit von der zur Herstellung des Substrates verwendeten Fluenz, nämlich ein kontinuierliches Ansteigen, geringes Überschwingen und Auslaufen auf einem hohen Plateau, findet sich ähnlich wie in 5.
• Der unterschied der beiden in 6 dargestellten Kurven 42 und 44 liegt in der Dicke der Goldbeschichtung 28. Für die Messungen, die zur Kurve 42 führten, wurde ein Goldfilm von 20 Nanometern Dicke verwendet, wohingegen der Messkurve 44 ein Goldfilm von 40 Nanometern Dicke zugrunde lag. Die Messungen von 6 legen nahe, dass mit steigender Dicke des Goldfilms 28 eine höhere Fluenz zur Erzeugung optimaler SERS-Verstärkung erforderlich ist. Andererseits scheinen mit größeren Schichtdicken absolut höhere SERS-Verstärkungen erzielbar zu sein. Der Fachmann wird daher für die jeweilige Anwendung stets einen z. B. der Wirtschaftlichkeit geschuldeten Kompromiss zwischen erforderlicher SERS-Intensität einerseits und Laserleistung andererseits suchen.
• 7 zeigt mechanische Aspekte der den Messungen von 6 zugrunde liegenden SERS-Substraten. 7 zeigt die mittleren Partikeldurchmesser der jeweiligen Basisschichten 30. Insbesondere bei der Kurve 42, der dieselben SERS-Substrate zugrunde liegen, wie der Messkurve 42 in 6, kann man eine gute Korrelation zwischen der erreichbaren SERS-Verstärkung und den mittleren Partikeldurchmessern, jeweils als Funktion der Fluenz, erkennen. Aufgrund dieser guten Korrelation wird angenommen, dass im Wesentlichen die erzeugte Basisschicht und insbesondere deren mechanische Parameter für die jeweils erzielten SERS-Verstärkungen verantwortlich sind.
• Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten anhand gegeben. Insbesondere wird er die Wellenlänge der zur Herstellung des SERS-Substrates verwendeten Laserstrahlung an die Absorptionseigenschaften des konkret verwendeten Edelmetallfilms anpassen. Auch wird er zur Ermittlung der optimalen Verfahrensparameter die verwendeten Fluenzen jeweils unter Beachtung der Beschichtungsdicke sowie der verwendeten Wellenlängen innerhalb des von der Erfindung aufgezeigten Rahmens variieren. In jedem Fall wird er an der Bestrahlung des Substratrohlings mit einem einzigen Laserpuls festhalten, da sich herausgestellt hat, dass dieses besondere Merkmal entscheidenden Einfluss auf die überraschende Wirkung des erfindungsbezogenen Herstellungsverfahrens hat. Dabei ist natürlich zu beachten, dass die zusätzliche Bestrahlung des Substrates mit Wellenlängen und/oder Intensitäten, die für den Fachmann offensichtlich keinen Einfluss auf die mechanischen und geometrischen Eigenschaften der Substratoberfläche haben können, nicht als zusätzliche Laserbestrahlung im Sinne der vorliegenden Erfindung gelten. Auch dürfte klar sein, dass sich die Beschränkung auf genau einen Laserpuls nicht notwendig auf die gesamte Substratoberfläche bezieht, sondern auf jede Bestrahlungsposition, von denen z. B. beim Abtasten eines großen Substrates mehrere auf der Oberfläche verteilt sein können.
• Bezugszeichenliste

10

Laser

12

Laserstrahl

12', 12'', 12'''

Teilstrahl von 12

14

Abschwächen

15a, b

Strahlaufweitungsoptik

18

Feldlinse

20

Substratrohling

20'

SERS-Substrat

22

Homogenisator

22a, b

Zylinderlinsenarray von 22

23

Inhomogenes Strahlprofil

24

Homogenes Strahlprofil

30

Basisschicht

32

Großer Edelmetallpartikel

33

Cluster

40

Messkurve

42

Messkurve

42'

Messkurve

44

Messkurve

44'

Messkurve

50

Messkurve

Claims (4)

1. Verwendung eines SERS-Substrates (20'), das einen mit Edelmetall (28) beschichteten, flächigen Träger (26) umfasst und eine unter Verwendung gepulster Laserstrahlung nanostrukturierte Oberfläche aufweist, hergestellt durch ein Herstellungsverfahren, umfassend die folgenden Herstellungsverfahrensschritte: – Bereitstellen des Trägers (26), der eine im Wesentlichen ebene Trägeroberfläche aufweist, – Beschichten wenigstens eines Bereichs der Trägeroberfläche mit einem 10 bis 60 Nanometer, nm, starken Edelmetallfilm (28), – Belichten eines Bereichs des Edelmetallfilms (28) mit genau einem ein homogenes Strahlprofil (24) aufweisenden Laserpuls (12) einer Pulslänge zwischen 10 und 30 Nanosekunden, ns, einer Wellenlänge zwischen 150 und 1100 Nanometer, nm, und einer Fluenz größer als 20 Millijoule pro Quadratzentimeter, mJ/cm², zur Durchführung eines Arbeitsverfahrens zum Detektieren eines Analyten mittels SERS, umfassend die Arbeitsverfahrensschritte: – Bereitstellen eines SERS-Substrates (20'), – Aufbringen einer mutmaßlich den Analyten enthaltenden Substanz auf der SERS-Substratoberfläche, – Bestrahlen der SERS-Substratoberfläche mit Anregungslicht (12) einer ausgewählten Wellenlänge und Intensität, – Erfassen des an der SERS-Substratoberfläche gestreuten Streulichtes und – Ermitteln von Wellenlängenverschiebungen und Intensität des Streulichtes im Vergleich zu dem Anregungslicht.
2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellungsverfahrensschritt des Belichtens die Fluenz größer als diejenige Fluenz ist, die erforderlich ist, um die Edelmetallbeschichtung auf einem Träger, der eine ohne optische Hilfsmittel wahrnehmbare Anfangstransparenz aufweist, so zu modifizieren, dass das erzeugte Substrat dieselbe ohne optische Hilfsmittel wahrnehmbare Anfangstransparenz aufweist.
3. Verwendung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herstellungsverfahrensschritt des Belichtens der Laserpuls (12) senkrecht auf den Edelmetallfilm (28) auftrifft.
4. Verwendung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägeroberfläche aus Glas, insbesondere Quarzglas, Silizium oder Kunststoff besteht.

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