DE102016101001A1 - Device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume - Google Patents

Device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume Download PDF

Info

Publication number
DE102016101001A1
DE102016101001A1 DE102016101001.4A DE102016101001A DE102016101001A1 DE 102016101001 A1 DE102016101001 A1 DE 102016101001A1 DE 102016101001 A DE102016101001 A DE 102016101001A DE 102016101001 A1 DE102016101001 A1 DE 102016101001A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
plate
sample volume
microfluidic channel
metal
island film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102016101001.4A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102016101001B4 (en
Inventor
Tom W.H. Oates
Dirk Janasek
Karsten Hinrichs
Christoph Kratz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Original Assignee
Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV filed Critical Leibniz Institut fuer Analytische Wissenschaften ISAS eV
Priority to DE102016101001.4A priority Critical patent/DE102016101001B4/en
Priority to PCT/EP2017/050864 priority patent/WO2017125374A1/en
Publication of DE102016101001A1 publication Critical patent/DE102016101001A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102016101001B4 publication Critical patent/DE102016101001B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/16—Surface properties and coatings
    • B01L2300/168—Specific optical properties, e.g. reflective coatings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N2021/0346—Capillary cells; Microcells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G01N21/05—Flow-through cuvettes
    • G01N2021/058—Flat flow cell

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.With a device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume in the micro- and sub-microliter range by Raman and infrared spectroscopy, in particular by means of RR, SERS, SECARS and SEIRA, a simple detection and characterization of organic molecules with a concentration below the ppm range in a micro- and submicroliter-range liquid sample volume due to the vibrational properties of the molecules are achieved by the aforementioned Raman spectroscopy and infrared spectroscopy techniques in a single device. This is done by a microfluidic chip (2) with at least one microfluidic channel (3) open at the top for flowing through the sample volume and by a transparent plate (7) covering the at least one microfluidic channel (3) serving as a measuring window, which is on the at least one microfluidic channel (3) facing side is coated with a metal island film, and by a directed to the plate (7) detection optics (14) which radiates light on the plate (7) and receives the reflected light rays.

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). The invention relates to a device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume in the microliter and submicroliter range by means of Raman and infrared spectroscopy, in particular by means of RR (Raman Resonant Spectroscopy), SERS (Surface-Enhanced Raman Spectroscopy), SECARS (Surface- enhanced coherent anti-Stokes Raman spectroscopy) and 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. In the field of infrared absorption spectroscopy on microfluidic channels, concepts with specially prepared transmission components using surface enhanced infrared absorption are known. The disadvantage of these transmission components is the use of costly materials and strict desgin limitations for the microfluidic channels. For surface-enhanced Raman scattering, various concepts exist for investigation in microfluidic components. Combined infrared and Raman concepts for microfluidics are not yet known.

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. The object of the invention is a simple detection and characterization of organic molecules with a concentration below the ppm range in a liquid sample volume in the micro and sub microliter range due to the vibration properties of the molecules by means of the aforementioned methods of Raman spectroscopy and infrared spectroscopy in to achieve a single device.

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. This object is achieved in a device of the type described by a Mikrofluidikchip with at least one open-microfluidic channel for flowing through the sample volume and by the at least one microfluidic channel covering, serving as a measuring window transparent plate, which on the at least one microfluidic channel side facing a metal-insensitive film, and a detection optic directed to the plate, which emits light onto the plate and receives the reflected light rays.

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. The device according to the invention is therefore suitable for evaluating the light radiation reflected at the interface between the metal-island film and the sample volume. The different topologies of the metal-island film, by means of their optical properties, impart amplification effects for the simultaneous use of Raman spectroscopy and infrared spectroscopy techniques. The use of such a backside reflection geometry allows the production of the actual microfluidic chip from a cost-effective polymer material, because the microfluidic chip itself is not penetrated by the incident light and thus no evaluation of the transmission takes place. The device is thus suitable as an accessory to Raman and IR spectroscopy with imaging optics, optical fibers, and / or the use of brilliant radiation sources (e.g., gas lasers, QCLs). Since the device makes a combined infrared and Raman analysis possible, a higher detection rate for the diagnosis compared to a single measuring method is made possible. In addition, the sample consumption is very low and is e.g. in the submicroliter range.

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. Particularly preferably, it is provided that the microfluidic chip and the plate are interchangeable arranged in a common holding device. This facilitates handling, in particular the microfluidic chip can be exchanged in a simple manner.

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. Of course, the transparent plate must be chosen from a material that is transparent to both visible light (Raman spectroscopy) and infrared. It is therefore preferred that the plate consists of calcium fluoride, barium fluoride or zinc selenide.

Dagegen kann der Mikrofluidikchip aus kostengünstigen Materialien bestehen. Bevorzugt besteht er z.B. aus Kunststoff (Polymermaterial) oder Glas. In contrast, the microfluidic chip may consist of inexpensive materials. It preferably consists of e.g. made of plastic (polymer material) or glass.

Der Metallinselfilm kann grundsätzlich aus verschiedenen Metallen bestehen. Besonders bevorzugt werden Gold oder Silber verwendet. Andere Metalle, z.B. Platin, sind ebenfalls geeignet. The metal island film can basically consist of different metals. Particular preference is given to using gold or silver. Other metals, e.g. Platinum, are also suitable.

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. The metal island film can basically be applied to the board in a variety of ways. It is preferably provided that the metal island film is applied to the plate by thermal evaporation under high vacuum conditions, i. evaporated. Alternatively, colloidal solutions or etching processes can also be used for the production. The individual metal islands have dimensions in the order of magnitude of 20 to 100 nm, whereas the at least one microchannel of the microfluidic chip has a width of the order of magnitude of 50 to 100 μm. The coverage of the plate in the area of the measuring window with the metal island film is about 80 to 90% compared to the total area in the measuring window for infrared, for Raman a much lower coverage rate is sufficient.

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 an advantageous further embodiment, it is provided that the metal island film is covered by an ultrathin protective layer. This, some nm thick protective layer, which consists for example of silicon oxide, allows multiple usability and Cleaning the microfluidic channel covering plate.

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. In a further embodiment it is provided that an ultrathin organic functional layer is applied to the metal film or the protective layer. By means of such an ultrathin (a few nm thick) organic functional layer in the form of molecules, specific molecules can be detected in the sample volume so that a functional biosensor can be realized.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in The invention is explained in more detail below by way of example with reference to the drawing. This shows in

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt, 1 a schematic representation of a device according to the invention in section,

2 ein vergrößertes Detail A in 1, 2 an enlarged detail A in 1 .

3 eine schematische Darstellung eines isotropen Metallinselfilmes auf der Platte der Vorrichtung und 3 a schematic representation of an isotropic metal island film on the plate of the device and

4 eine schematische Darstellung eines an isotropen Metallinselfilmes auf der Platte der Vorrichtung. 4 a schematic representation of an isotropic metal island film on the plate of the device.

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: A device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume in the micro- and sub-microliter range by means of surface-enhanced Raman and infrared spectroscopy is generally with 1 designated. This device 1 is particularly suitable for the following spectroscopy methods:

RR (resonanter Ramanspektroskopie), SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy), SECARS (surface-enhanced coherent anti-Stokes Raman spectroscopy) und SEIRA (surface-enhanced infrared absorption). RR (resonant Raman spectroscopy), SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy), SECARS (surface-enhanced coherent anti-Stokes Raman spectroscopy) and 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. The device 1 initially has a microfluidic chip 2 on, in the upper side at least one microfluidic channel 3 is provided. This microfluidic channel 3 stands in the embodiment at its entrance with one of the underside of the microfluidic chip 2 accessible inlet 4 and at the exit with one from the bottom of the microfluidic chip 2 accessible outlet 5 in connection, so that a flow direction for the liquid sample in the microfluidic channel 3 in the sense of the arrows 6 results.

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. At least the area of the microfluidic channel 3 but preferably the entire microfluidic chip 2 , At the top of a serving as a measuring window transparent plate 7 covered. This at least for infrared light and visible light transparent plate 7 is on the microfluidic channel 3 facing side coated with a metal island film, the metal islands are with 8th designated and indicated schematically.

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. These metal islands 8th , which are preferably made of gold or silver or platinum, can in different ways on the underside of the plate 7 be applied, for example by vapor deposition from a high vacuum. Alternatively, colloidal solutions or etching methods can also be used.

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. For stationary connection of the plate 7 with the microfluidic chip 2 is a trough-shaped holding device 9 provided at the bottom in the area of the inlet 4 an opening 10 and in the area of the outlet 5 an opening 11 are left out in order to supply and remove the sample can. In the upper edge area 12 the side wall of the holding device 9 are one or more height-adjustable clamping plates 13 provided, which with its underside clamping at the top of the plate 7 abut and both the microfluidic chip 2 as well as the plate 7 stationary in the holding device 9 take up.

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. The device 1 also has a detection optics 14 on, which can be designed differently. The detection optics 14 is an imaging optic (eg lens or mirror objectives) that focuses the incoming light on the sample, ie on the plate 7 serves. The incident light rays are with 15 indicated. The on the surface of the microfluidic channel 3 or the metal island film reflected light can be passed through the same or a separate optics in reflection on a detector, not shown, the reflected rays are with 16 indicated. The detector, not shown, is part of a spectrometer, also not shown, eg a dispersive or inteferometric spectrometer.

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 %. The metal island film has a plurality of metal islands 8th on, with the magnitude of these metal islands 8th For example, between 20 and 100 nm, while the width of the microfluidic channel 3 is about 100 microns. The arrangement of the metal islands 8th is basically arbitrary. The degree of coverage of the underside of the plate 7 is a maximum of about 80 to 90%.

Um den Metallinselfilm sowohl für Raman als auch für Infrarot nutzen zu können, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten. In order to use the metal island film both for Raman and for infrared, there are basically two options.

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. A first option is in 3 shown. The island film is isotropic. The substrate in this case shows both Raman and infrared enhancement. The polarization direction of the light, each by a double arrow for infrared (reference numeral 17 ) and Raman (reference numeral 18 ) is irrelevant and can also be unpolarized.

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. An isotropic arrangement is in 4 shown. In this case, a polarization direction for Raman (reference numeral 18 ) and a direction for infrared (reference numeral 17 ) optimized. In 4 Thus, the two polarization directions are perpendicular to each other. But it can also be other, not mutually perpendicular directions, as long as one is designed for infrared and the other optimal for Raman.

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. To perform a sample analysis, the sample volume in the micro- or even submicroliter range is passed through the microfluidic channel 3 promoted. Meanwhile, the single sample volume can be sequentially measured with different Raman and infrared microscopes or in the same setup for Raman and Infrared.

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. Due to the structure of the device 1 can conventional microfluidic chips 2 made of plastic (preferably polymeric material) or glass. The transparent plate 7 must be transparent to infrared and visible light and preferably consists of calcium fluoride (CaF 2 ), barium fluoride (BaF 2 ) or zinc selenide (ZnSe). Of course, other infrared and visible light transparent materials are possible.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Vorrichtung contraption
2 2
Mikrofluidikchip microfluidic
3 3
Mikrofluidikkanal microfluidic
4 4
Einlass inlet
5 5
Auslass outlet
6 6
Pfeile arrows
7 7
Platte plate
8 8th
Metallinsel metal island
9 9
Halteeinrichtung holder
10 10
Öffnung opening
11 11
Öffnung opening
12 12
oberer Randbereich upper edge area
13 13
Klemmplatte clamp
14 14
Detektionsoptik detection optics
15 15
einfallende Lichtstrahlen incident light rays
16 16
reflektierte Lichtstrahlen reflected light rays
17 17
Infrarot-Polarisationsrichtung Infrared polarization direction
18 18
Raman-Polarisationsrichtung Raman polarization direction

Claims (8)

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. Device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume in the micromixer and submicroliter range by means of Raman and infrared spectroscopy, in particular by means of RR, SERS, SECARS and SEIRA, characterized by a microfluidic chip ( 2 ) with at least one microfluidic channel open at the top ( 3 ) for flowing through the sample volume and through a the at least one microfluidic channel ( 3 ) covering, serving as a measuring window transparent plate ( 7 ), which on the at least one microfluidic channel ( 3 ) facing side is coated with a metal island film, and by a on the plate ( 7 ) directed detection optics ( 14 ), which light on the plate ( 7 ) and receives the reflected light rays. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrofluidikchip (2) und die Platte (7) auswechselbar in einer gemeinsamen Halteeinrichtung (9) angeordnet sind. Device according to claim 1, characterized in that the microfluidic chip ( 2 ) and the plate ( 7 ) exchangeable in a common holding device ( 9 ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (7) aus Calciumfluorid, Bariumfluorid oder Zinkselenid besteht. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the plate ( 7 ) consists of calcium fluoride, barium fluoride or zinc selenide. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrofluidikchip (2) aus Kunststoff oder Glas besteht. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the microfluidic chip ( 2 ) made of plastic or glass. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallinselfilm aus Gold oder Silber besteht. Device according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the metal island film consists of gold or silver. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallinselfilm durch thermisches Verdampfen unter Hochvakuumbedingungen auf die Platte (7) aufgebracht ist. Device according to claim 5, characterized in that the metal-island film is deposited on the plate by thermal evaporation under high-vacuum conditions ( 7 ) is applied. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Metallinselfilm durch eine ultradünne Schutzschicht abgedeckt ist. Device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the metal-island film is covered by an ultra-thin protective layer. 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. Device according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that on the metal island film or the protective layer, an ultrathin organic functional layer is applied.
DE102016101001.4A 2016-01-21 2016-01-21 Device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume Active DE102016101001B4 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016101001.4A DE102016101001B4 (en) 2016-01-21 2016-01-21 Device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume
PCT/EP2017/050864 WO2017125374A1 (en) 2016-01-21 2017-01-17 Device for detecting and characterising organic molecules in a liquid sample volume

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102016101001.4A DE102016101001B4 (en) 2016-01-21 2016-01-21 Device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102016101001A1 true DE102016101001A1 (en) 2017-07-27
DE102016101001B4 DE102016101001B4 (en) 2019-07-11

Family

ID=57821983

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102016101001.4A Active DE102016101001B4 (en) 2016-01-21 2016-01-21 Device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102016101001B4 (en)
WO (1) WO2017125374A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019219949A1 (en) * 2019-12-18 2021-06-24 Robert Bosch Gmbh Substrate

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3586962A1 (en) * 2018-06-22 2020-01-01 Unchained Labs Germany GmbH Magnetic sample holder system for a raman microscope
CN110865066A (en) * 2019-11-18 2020-03-06 南通大学 Raman spectrum sample box with total reflection structure
CN113058668B (en) * 2021-03-20 2022-05-27 山东大学 Artificial surface plasmon micro-fluidic detection chip structure based on capacitive metamaterial structure and preparation and detection methods thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112004001972T5 (en) * 2003-10-17 2006-08-17 Intel Corporation, Santa Clara A method and apparatus for detecting small numbers of molecules using surface enhanced coherent anti-Stokes Raman spectroscopy
US20090214392A1 (en) * 2008-02-27 2009-08-27 The Texas A&M University System Nano-fluidic Trapping Device for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy
US7733481B1 (en) * 2007-10-30 2010-06-08 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Facilitating surface enhanced Raman spectroscopy
US20120274935A1 (en) * 2011-04-27 2012-11-01 Seiko Epson Corporation Detection device
DE102013015033A1 (en) * 2013-09-03 2015-03-05 Friedrich-Schiller-Universität Jena Flow measuring cell for the analysis of fluid media
US9012207B2 (en) * 2005-08-02 2015-04-21 University Of Utah Research Foundation Biosensors including metallic nanocavities

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090263912A1 (en) * 2004-05-13 2009-10-22 The Regents Of The University Of California Nanowires and nanoribbons as subwavelength optical waveguides and their use as components in photonic circuits and devices
WO2010088219A2 (en) * 2009-01-27 2010-08-05 Arizona Board Of Regents For And On Behalf Of Arizona State University Reusable biosensor platform
WO2011050272A2 (en) * 2009-10-23 2011-04-28 Trustees Of Boston University Nanoantenna arrays for nanospectroscopy, methods of use and methods of high-throughput nanofabrication
EP2662685A1 (en) * 2012-05-10 2013-11-13 Centre National de la Recherche Scientifique (C.N.R.S) Detection device for surface enhanced raman scattering and surface enhanced infrared absorption
KR101573724B1 (en) * 2013-11-22 2015-12-02 한국과학기술연구원 Method of fabricating nanoantennas array, nanoantennas array chip and a structure for lithography

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112004001972T5 (en) * 2003-10-17 2006-08-17 Intel Corporation, Santa Clara A method and apparatus for detecting small numbers of molecules using surface enhanced coherent anti-Stokes Raman spectroscopy
US9012207B2 (en) * 2005-08-02 2015-04-21 University Of Utah Research Foundation Biosensors including metallic nanocavities
US7733481B1 (en) * 2007-10-30 2010-06-08 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Facilitating surface enhanced Raman spectroscopy
US20090214392A1 (en) * 2008-02-27 2009-08-27 The Texas A&M University System Nano-fluidic Trapping Device for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy
US20120274935A1 (en) * 2011-04-27 2012-11-01 Seiko Epson Corporation Detection device
DE102013015033A1 (en) * 2013-09-03 2015-03-05 Friedrich-Schiller-Universität Jena Flow measuring cell for the analysis of fluid media

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102019219949A1 (en) * 2019-12-18 2021-06-24 Robert Bosch Gmbh Substrate

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017125374A1 (en) 2017-07-27
DE102016101001B4 (en) 2019-07-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102016101001B4 (en) Device for the detection and characterization of organic molecules in a liquid sample volume
EP0822395B1 (en) Method and apparatus for Raman correlation spectroscopy
DE10008006A1 (en) Surface Plasmon Resonance sensor system has dividers at which radiation is reflected differently to produce contrast between dividers and sensor surfaces
DE10361058B3 (en) Highly accurate flow-oriented multi-angle reflectance sensor
WO2018189274A1 (en) Liquid cell for the microscopic imaging and raman spectroscopic material analysis of particles suspensions
EP0584654B1 (en) Method and device for continuous IR spectroscopic ATR analysis of highly viscous liquids
DE202019101669U1 (en) Device for field flux fractionation in combination with Raman spectroscopy
DE102005003878B3 (en) Measuring device for measuring the photocatalytic activity of a photocatalytic layer
DE102014202844A1 (en) Plasmonic sensor device and method for surface plasmon resonance spectroscopy
WO2008014937A1 (en) Optical measuring cell
EP3172542B1 (en) Arrangement for spatially resolved and wavelength-resolved detection of light radiation emitted from at least one oled or led
DE102005015030A1 (en) Method for the investigation of physical, chemical and biochemical interactions
EP3610244B1 (en) Liquid cell for the microscopic imaging and raman spectroscopic material analysis of particles suspensions
DE102019000525B4 (en) Method for measuring the surface tension by means of reflection on the condensed drop
DE102006045618A1 (en) Measuring arrangement for quantitative analytics, has micro-channel section with transparent detection window and self-regenerating thin film that passes separation fluid into micro-channel and section between segments and channel wall
DE102006035996A1 (en) Optical measuring probe for process monitoring
DE19920184C2 (en) Methods for the simultaneous detection of diffuse and specular reflection of samples, in particular opaque samples, and reflectance measuring probe
EP2718691B1 (en) Method and apparatus for determining the concentration of an analyte contained in a liquid sample
DE102013008104A1 (en) SERS substrate
EP1594613B1 (en) Method for the investigation of cellular samples
EP1602919A1 (en) Measuring device for the survey of the transmittance of a coating
DE102004015906B4 (en) Microfluidic apparatus for use in optical analysis comprises substrate containing fluid channels or reservoirs and optical components, e.g. transmission gratings, for dividing or filtering light which has been refracted by substrate
DE2842367C2 (en) Device for introducing particles into an analyzer
DE102004035623B4 (en) Measuring device and measuring method for analyzing properties of a flowing liquid
DE102004038282B4 (en) Method for testing on a metal substrate applied, particle-penetrated coatings

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R083 Amendment of/additions to inventor(s)
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final