WO2011047662A2 - Sers substrate - Google Patents

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WO2011047662A2
WO2011047662A2 PCT/DE2010/001210 DE2010001210W WO2011047662A2 WO 2011047662 A2 WO2011047662 A2 WO 2011047662A2 DE 2010001210 W DE2010001210 W DE 2010001210W WO 2011047662 A2 WO2011047662 A2 WO 2011047662A2
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nanoparticles
silver
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Robert MÖLLER
Jürgen Popp
Thomas Schüler
Katharina Strelau
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Friedrich-Schiller-Universität Jena
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering
    • G01N21/658Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons

Definitions

  • the invention relates to a novel SERS substrate, a method for its production, a method for its verification and its use.
  • Enzymes for the production of nanoparticles are known, for example, from US Pat. No. 6,670,113. According to this disclosure, enzymes are used to precipitate or accumulate metal particles (reaction of enzymes with metal ions to achieve metal deposition).
  • the method of using an enzyme to attach nanoparticles to DNA is an alternative method to streptavidin-modified spherical gold nanoparticles.
  • the advantage of using enzymes is the reduction of the background signal due to the highly specific reaction of the enzyme, resulting in a higher sensitivity.
  • the additional silver reinforcement additionally enables an optical evaluation
  • the disadvantages of this technical solution are that a complicated modification of the gold nanoparticles with thiol - modified DNA must be made, no statements can be made about the duration of the silver deposition and no statements are possible whether the SERS signal drops after a certain silver deposition time.
  • US 20040180379 discloses SERS substrates and their characterization as a biosensor for the detection of intracellular analytes by means of SERS, wherein the SERS substrate is produced by nanosphere lithography or FON (film over nanospheres).
  • SERS substrates can be produced by electron beam lithography, whereby a highly reproducible SERS substrate can be formed which is tunable to a narrow band wavelength range.
  • the SERS substrate is usually covered with a Raman reporter and measured the SERS signal of this reporter, then the reporter must again be removed so that the SERS substrate can be used for the analysis of other analytes,
  • the object of the present invention is to avoid the disadvantages of the prior art, in particular to provide novel SERS substrates which are inexpensive to produce compared to clean-room SERS substrates and which are largely arranged in relation to randomly arranged metal particle SERS substrates Have particle structures, and to provide a method for their preparation and a method for their verification.
  • the essence of the invention is that SERS substrates in the form of enzymatically produced nanoparticles are provided on substrate surfaces.
  • the enzymatically produced nanoparticles according to the invention in particular enzymatically produced silver manopar particles, can be applied to any desired 2D or 3D substrate surfaces.
  • conventional 2D surfaces / materials such as. Glass or silicon, polymers or hydrogels can be used.
  • any material that has the possibility of immobilizing an enzyme on the carrier surface according to the invention is suitable.
  • linker molecules for example single-stranded DNA
  • enzyme molecules such as, for example, a streptavidin-horseradish peroxidase complex
  • the enzymatic reaction can be catalyzed by various enzymes.
  • the production of other metal nanoparticles is possible.
  • glucose oxidase or alkaline phosphatase may also be used.
  • the characteristic form of the enzymatically deposited (grown) silver particles is characterized by a desert rose-like growth.
  • the formed particles (with desert rose shape) have pointed, angular structures, which differ significantly from conventional spherical metallic nanoparticles.
  • the individual particles consist of different platelets which grow into one another and next to one another and thereby form the distinct desert roses of similar formations (FIG. 3).
  • these enzymatically produced particles can be used as SERS substrate even at high particle densities, even to a closed conductive layer become.
  • Their angular and rough nanostructures prevent the collapse of SERS activity due to local elevations of the electromagnetic field. This makes it possible to characterize the SERS activity of these enzymatically produced metallic nanostructures with the aid of a simple electrical conductivity measurement.
  • the enzymatic reaction can be catalyzed by various enzymes according to the invention.
  • various enzymes in addition to the deposition of silver, the production of other metal nanoparticles is possible.
  • glucose oxidase or alkaline phosphatase can also be used.
  • the metal nanoparticle density in particular the silver nanoparticle density (optimally about 50 to 70%) according to the invention by the concentration of Linker molecules (for example, single-stranded DNA of any sequence that is terminally amine- and biotin-modified) are set.
  • linker concentration 5 ⁇ a particle density of about 60%.
  • linker molecule Immobilization of the enzyme on the substrate surface requires a linker molecule.
  • the linker molecule must possess in its capacity a binding functionality for the enzyme (eg biotin). And additionally, another functionality to bind to the support surface (eg, an amino modification).
  • DNA can be used as linker molecule, which terminal is biotin as well as amino-modified.
  • This metallic compound between the two electrodes is used according to the invention to determine the SERS activity of the novel SERS substrates by a simple conductivity measurement, since it was surprisingly found that a relationship between the SERS activity and the conductivity of the SERS substrates according to the invention ( enzymatically deposited metal nanoparticles, especially silver manoparticles, on a substrate between two electrodes).
  • the SERS substrates according to the invention show their highest SERS activity between about 1 to 10 ⁇ s, whereas in the case of SERS substrates according to the prior art, the SERS activity already breaks down at about 1 ⁇ 8.
  • SERS substrates according to the invention in the form of enzymatically produced metal nanoparticles, in particular enzymatically produced silver nanoparticles, is that they are used to characterize the SERS activity via electrical conductivity or gray value analysis, whereby a characterization of the SERS substrate surface in a very short time is possible and does not have to take place directly before its intended use (contrary to the state of the art, no cumbersome characterizations using standard molecules necessary), or that no expensive, produced in clean room SERS substrates are necessary to perform good SERS measurements can ,
  • the enzyme-deposited metal nanoparticles according to the invention show a broad absorption range. While the absorption range of spherical nanoparticles is very narrow (50-200 nm on average), the absorption range of the enzymatically deposited silver nanoparticles ranges from the near UV to the IR range.
  • SERS substrates for quantitative analysis. For this purpose, several SERS substrates are produced. By measuring the electrical conductivity, the SERS substrates are characterized in terms of their SERS activity in order to make the measurements on different SERS substrates comparable. Subsequently, the SERS substrates are incubated with different concentrations of the analyte solution and measured. Using the calibration series thus determined, unknown concentrations can subsequently be determined.
  • the SERS substrates according to the invention can be used, for example, for the detection of low-molecular-weight substances (for example dyes, antibiotics) of biomolecules (for example DNA, PNA, proteins), of natural substances and of organic polymers.
  • low-molecular-weight substances for example dyes, antibiotics
  • biomolecules for example DNA, PNA, proteins
  • FIG. 1 shows a schematic representation for carrying out the method according to the invention for producing the SERS substrates according to the invention (immobilization of horseradish peroxidase molecules in the electrode gap and enzymatic deposition of metal nanoparticles, in particular silver nanoparticles, on a substrate surface),
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the SERS substrate according to the invention (metal particles on substrate surface).
  • the substrate can be used Embodiment 2
  • Antibiotic e.g., vancomycin or ciprofloxacin
  • Antibiotic e.g., vancomycin or ciprofloxacin
  • the substrate can be used
  • the substrate can be used
  • the substrate can be used

Abstract

The invention relates to a novel SERS substrate, a method for the production thereof, a method for the examination thereof, and the use thereof. The aim of the invention, which is to provide novel SERS substrates that can be produced in a cost-effective manner compared to clean-room SERS substrates and that have substantially ordered particle structures compared to randomly arranged metal-particle SERS substrates, is solved in that the SERS substrates are composed of metal nanoparticles that are enzymatically deposited onto a substrate surface, and the SERS activity is characterized by means of electrical conductivity measurements or gray-scale analysis.

Description

SERS- Substrat Beschreibung Die Erfindung betrifft ein neuartiges SERS-Substrat, ein Verfahren zu dessen Herstellung, ein Verfahren zu dessen Überprüfung und dessen Verwendung.  SERS Substrate Description The invention relates to a novel SERS substrate, a method for its production, a method for its verification and its use.
Enzyme zur Herstellung von Nanopartikeln sind bspw. aus US 6,670,113 bekannt. Gemäß dieser Offenbarung werden Enzyme genutzt, um Metallpaftikel abzuscheiden oder anzureichern (Reaktion von Enzymen mit Metallionen um eine Metallabscheidung zu erreichen). Enzymes for the production of nanoparticles are known, for example, from US Pat. No. 6,670,113. According to this disclosure, enzymes are used to precipitate or accumulate metal particles (reaction of enzymes with metal ions to achieve metal deposition).
Gemäß US 6,670,113 wird dabei wie folgt verfahren:  According to US Pat. No. 6,670,113, the following procedure is followed:
- Verwendung des Enzyms Meerrettich - Peroxidase  - Use of the enzyme horseradish peroxidase
- Aufbringen des Enzyms auf Oberfläche, eintrocknen lassen - Apply the enzyme to the surface, allow to dry
- Inkubation mit 1ml 0,2% Silberacetat in Wasser für 3 minIncubation with 1 ml of 0.2% silver acetate in water for 3 min
- 2x mit Wasser waschen - Wash 2x with water
- 1ml Lösung bestehend aus 2,5mg/ml Hydrochinon, lmg/ml Silberacetat und 0,06% Wasserstoffperoxid in 0,1M Citratpuffer pH 3,8 zugeben  - Add 1 ml solution consisting of 2.5 mg / ml hydroquinone, 1 mg / ml silver acetate and 0.06% hydrogen peroxide in 0.1M citrate buffer pH 3.8
- Silberabscheidung innerhalb einer Minute sichtbar - Silver deposit visible within a minute
- Verwendung dieses Prinzips für biologische Anwendungen wie z.B. Immunfärbung, Use of this principle for biological applications, e.g. Immunostaining,
- Detektion von Bakterien, in Situ Hybridisierung, Detektion von einzelnen Genen,  - detection of bacteria, in situ hybridization, detection of single genes,
- Visualisierung mit dem bloßen Auge  - Visualization with the naked eye
- Visualisierung mittels Mikroskop  - Visualization by microscope
- Reflektion  - reflection
- Elektronmikroskopie  - Electron microscopy
- Polarographische, elektrochemische, elektrische Detektion - Polarographic, electrochemical, electrical detection
- X-ray Spektroskopie - X-ray spectroscopy
- Chemische Tests  - Chemical tests
- Detektion über die Masse  - Detection of the mass
- Lichtstreuung - Magnetische Detektion - Light scattering - Magnetic detection
- Autometallographie  - Autometallography
- Scanning Probe Microscopy  - Scanning Probe Microscopy
Aus der Publikation R. Möller, R. D. Powell, J. F. Hainfeld, W. Fritzsche, Nano Lett. 2005, 5, 1475-1482 sind Nanopartikel für die elektrische Detektion bekannt. Gemäß dieser Publikation wird eine Enzymreaktion als Alternative zu den modifizierten sphärischen Nanopartikeln für einen elektrischen DNA-Nachweis verwendet. From the publication R. Möller, R.D. Powell, J.F. Hainfeld, W. Fritzsche, Nano Lett. 2005, 5, 1475-1482 nanoparticles are known for electrical detection. According to this publication, an enzyme reaction is used as an alternative to the modified spherical nanoparticles for electrical DNA detection.
Dabei wird wie folgt verfahren: The procedure is as follows:
Anbindung von Streptavidin - modifizierter Meerrettich - Linkage of streptavidin - modified horseradish -
Peroxidase an Biotin - modifizierte DNA Peroxidase to biotin - modified DNA
Zugabe des EnzMet™ - Kits— enzymatische Silberabscheidung Detektion über Auslesen der elektrischen Leitfähigkeit der einzelnen DNA- Spots  Addition of the EnzMet ™ - Kits- enzymatic silver deposition Detection by reading the electrical conductivity of the individual DNA spots
Das Verfahren der Nutzung eines Enzyms zur Anbindung von Nanopartikeln an die DNA ist eine Alternativmethode zu Streptavidin - modifizierten sphärischen Goldnanopartikeln. Der Vorteil bei der Verwendung von Enzymen besteht in der Reduzierung des Hintergrundsignals durch die hochspezifische Reaktion des Enzyms, was zu einer höheren Sensitivität führt. The method of using an enzyme to attach nanoparticles to DNA is an alternative method to streptavidin-modified spherical gold nanoparticles. The advantage of using enzymes is the reduction of the background signal due to the highly specific reaction of the enzyme, resulting in a higher sensitivity.
US 2003/0211488 AI offenbart die Verwendung von Nanopartikeln als SERS-Substrate. US 2003/0211488 Al discloses the use of nanoparticles as SERS substrates.
Dabei wird wie folgt verfahren:  The procedure is as follows:
Modifizierung von Goldnanopartikeln mit Thiol - modifizierter Modification of Gold Nanoparticles with Thiol - Modified
DNA mit internem Raman- Label DNA with internal Raman label
Nutzung dieses DNA-Nanopartikel-Komplexes als Label für einen sequenzspezifischen DNA-Nachweis  Use of this DNA-nanoparticle complex as a label for sequence-specific DNA detection
Detektion über Oberflächenverstärkte Raman Spektroskopie  Detection by Surface Enhanced Raman Spectroscopy
Erhöhung der Verstärkung und damit Erhöhung des Signals durch zusätzliche Silberabscheidung an Goldnanopartikeln  Increasing the amplification and thus increasing the signal by additional silver deposition on gold nanoparticles
Die zusätzliche Silberverstärkung ermöglicht zusätzlich eine optische Auswertung Die Nachteile dieser technischen Lösung sind, dass eine umständliche Modifizierung der Goldnanopartikel mit Thiol - modifizierter DNA erfolgen muss, keine Aussagen über zeitliche Dauer der Silberabscheidung getroffen werden können und keine Aussagen möglich sind, ob das SERS- Signal nach bestimmter Silberabscheidungszeit abfällt. The additional silver reinforcement additionally enables an optical evaluation The disadvantages of this technical solution are that a complicated modification of the gold nanoparticles with thiol - modified DNA must be made, no statements can be made about the duration of the silver deposition and no statements are possible whether the SERS signal drops after a certain silver deposition time.
Aus der Publikation Z.Wang, L.J. Rothberg, Appl. Phys. B 84, 289-293 (2006) ist bekannt, dass eine Abhängigkeit der SERS -Verstärkung von der Dichte der Silberfilme auf einer Oberfläche abhängt, bei geringer Belegung der Oberfläche mit Silber (einzelne Silberpartikelinseln) nur eine sehr geringe SERS-Verstärkung erfolgt, mit zunehmender Größe und Dichte der Silberpartikelinseln ein Anstieg der SERS-Verstärkung erfolgt und für den Fall, dass sich eine leitfähige Schicht aus den Silberpartikelinseln bildet, die SERS- Verstärkung wieder abfallt. From the publication Z. Wang, L.J. Rothberg, Appl. Phys. B 84, 289-293 (2006) it is known that a dependence of the SERS gain on the density of the silver films depends on a surface, with low occupancy of the surface with silver (individual silver particle islands) only a very low SERS gain occurs, with As the silver particle islands increase in size and density, there is an increase in SERS enhancement and, in the event that a conductive layer of the silver particle islands forms, the SERS enhancement falls off again.
US 20040180379 sind SERS-Substrate und ihre Charakterisierung bekannt als Biosensor für die Detektion von intrazellulären Analyten mittels SERS, wobei das SERS-Substrat mit Nanosphere Lithography oder FON hergestellt wird (film over nanospheres). US 20040180379 discloses SERS substrates and their characterization as a biosensor for the detection of intracellular analytes by means of SERS, wherein the SERS substrate is produced by nanosphere lithography or FON (film over nanospheres).
Aus der Publikation N. Felidj, J. Aubard, and G. Levi, J. R. Krenn, A. Hohenau, G. Schider, A. Leitner, and F. R. Aussenegg, Appl. Phys. Lett., Vol. 82, No. 18 ist folgendes bekannt, dass SERS - Substrate mittels Elektronenstrahl-Lithographie hergestellt werden können, wobei ein hochreproduzierbares SERS - Substrat ausbildbar ist, das auf einen schmalbandigen Wellenlängenbereich einstellbar ist. From the publication N. Felidj, J. Aubard, and G. Levi, J.R. Krenn, A. Hohenau, G. Schider, A. Leitner, and F.R. Aussenegg, Appl. Phys. Lett., Vol. 82, no. 18, it is known that SERS substrates can be produced by electron beam lithography, whereby a highly reproducible SERS substrate can be formed which is tunable to a narrow band wavelength range.
Die Nachteile der bisher bekannten SERS-Substrate sind: The disadvantages of the previously known SERS substrates are:
- hochreproduzierbare SERS - Substrate (hergestellt bspw. mit EBL) sind sehr teuer,  highly reproducible SERS substrates (made, for example, with EBL) are very expensive,
- günstige SERS - Substrate sind nicht großflächig reproduzierbar und müssen somit charakterisiert werden,  favorable SERS substrates are not reproducible over a large area and therefore have to be characterized
- für die Charakterisierung wird das SERS - Substrat üblicherweise mit einem Ramanreporter belegt und das SERS-Signal dieses Reporters gemessen, anschließend muss der Reporter wieder entfernt werden, damit das SERS - Substrat für die Analyse von anderen Analyten genutzt werden kann, - For the characterization, the SERS substrate is usually covered with a Raman reporter and measured the SERS signal of this reporter, then the reporter must again be removed so that the SERS substrate can be used for the analysis of other analytes,
- häufig wird aus einer Charge SERS - Substrate nur ein einzelnes charakterisiert und dessen Ergebnisse auf die anderen übertragen, da sich die Ramanreporter meist nicht vollständig entfernen lassen - Often a batch of SERS substrates only characterizes a single one and its results are transferred to the others, since the Raman reporters can usually not be completely removed
- SERS - Substrate immer nur für einen bestimmten (meist recht schmalbandigen) Wellenlängenbereich (100-200nm) einsetzbar. - SERS - Substrates only for a certain (usually quite narrow band) wavelength range (100-200nm) can be used.
Darüber hinaus ist u.a. aus den Publikationen Schüler, T., Steinbrück, A., Festag, G., Möller, R. und Fritzsche, W."Enzyme-induced growth of silver nanoparticles studied on single particle level", Journal of Nanoparticle Research (2008) und Festag, G., Schüler, T., Möller, R., Csaki, A. und Fritzsche, W. „Growth and percolation of metal nanostructures in elektrode gaps leading to conductive paths for electrical DNA analysis, Nanotechnology (2008), 19 die Enzyminduzierte Silberpartikelabscheidung an sich bekannt. In addition, u.a. from the publications Pupils, T., Steinbrück, A., Festag, G., Moller, R. and Fritzsche, W. "Enzyme-induced growth of silver nanoparticles studied on single particle level", Journal of Nanoparticle Research (2008) and Festag, G., Schüler, T., Möller, R., Csaki, A. and Fritzsche, W. "Growth and Percolation of Metal Nanostructures in Electrodecapses leading to Conductive Paths for Electrical DNA Analysis, Nanotechnology (2008), 19 the Enzyme-induced silver particle deposition is known per se.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere neuartige SERS- Substrate bereit zu stellen, die im Vergleich zu Reinraum- SERS- Substraten preiswert herstellbar sind und die gegenüber zufallig angeordneten Metallpartikel- SERS- Substraten weitestgehend geordnete Partikelstrukturen aufweisen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung und ein Verfahren zu deren Überprüfung anzugeben. The object of the present invention is to avoid the disadvantages of the prior art, in particular to provide novel SERS substrates which are inexpensive to produce compared to clean-room SERS substrates and which are largely arranged in relation to randomly arranged metal particle SERS substrates Have particle structures, and to provide a method for their preparation and a method for their verification.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des 1., des 6. und des 12. Patentanspruchs gelöst. Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den nachgeordneten Patentansprüchen angegeben. According to the invention, this object is achieved by the features of the 1st, the 6th and the 12th claim. Further favorable embodiments of the invention are specified in the subordinate claims.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass SERS- Substrate in Form von enzymatisch hergestellten Nanopartikeln auf Substratoberflächen bereit gestellt werden. Die erfindungsgemäßen, enzymatisch hergestellten Nanopartikel, insbesondere enzymatisch hergestellten Silbemanopartikel, können auf beliebigen 2D- oder 3D- Substratoberflächen aufgebracht werden. Neben üblichen 2D- Oberflächen / Materialien, wie bspw. Glas oder Silizium, können auch Polymere oder Hydrogele verwendet werden. Grundsätzlich eignet sich jedes Material, dass die Möglichkeit besitzt, erfindungsgemäß ein Enzym auf der Trägeroberfläche zu immobilisieren. The essence of the invention is that SERS substrates in the form of enzymatically produced nanoparticles are provided on substrate surfaces. The enzymatically produced nanoparticles according to the invention, in particular enzymatically produced silver manopar particles, can be applied to any desired 2D or 3D substrate surfaces. In addition to conventional 2D surfaces / materials, such as. Glass or silicon, polymers or hydrogels can be used. In principle, any material that has the possibility of immobilizing an enzyme on the carrier surface according to the invention is suitable.
Auf einem Substrat, bspw. Glas, Silizium, Polymere, werden gemäß der Erfindung zwischen zwei Elektroden Linker-Moleküle, bspw. einzelsträngige DNA verankert, an welche Enzym- Moleküle, wie bspw. ein Streptavidin- Meerrettich- Peroxidase- Komplex, gebunden sind, vermittels deren Enzymaktivität eine Abscheidung von charakteristisch geformten Silbernanopartikeln auf dem Substrat erfolgt. On a substrate, for example glass, silicon, polymers, according to the invention, linker molecules, for example single-stranded DNA, are anchored between two electrodes to which enzyme molecules, such as, for example, a streptavidin-horseradish peroxidase complex, are bound. by means of whose enzyme activity a deposition of characteristically shaped silver nanoparticles on the substrate takes place.
Die enzymatische Reaktion kann von verschiedenen Enzymen katalysiert werden. Neben der enzymatischen Abscheidung von Silber ist auch die Herstellung von anderen Metallnanopartikeln möglich. Bspw. kann neben der Meerrettich- Peroxidase induzierten Silberabscheidung auch Glukoseoxidase oder alkalische Phosphatase zum Einsatz kommen. The enzymatic reaction can be catalyzed by various enzymes. In addition to the enzymatic deposition of silver, the production of other metal nanoparticles is possible. For example. In addition to horseradish peroxidase-induced silver deposition, glucose oxidase or alkaline phosphatase may also be used.
Die charakteristische Form der enzymatisch abgeschiedenen (gewachsenen) Silberpartikel zeichnet sich durch ein Wüstenrosen- ähnliches Wachstum aus. Die gebildeten Partikel (mit Wüstenrosen- Form) besitzen spitze, eckige Strukturen, wodurch sie sich deutlich von herkömmlichen sphärischen metallischen Nanopartikeln unterscheiden. Wie in der REM-Aufnahme in Fig. 2 zu sehen ist, bestehen die Einzelpartikel dabei aus verschiedenen Plättchen, welche ineinander und nebeneinander wachsen und dadurch die ausgeprägten Wüstenrosen ähnlichen Formationen bilden (Fig. 3). The characteristic form of the enzymatically deposited (grown) silver particles is characterized by a desert rose-like growth. The formed particles (with desert rose shape) have pointed, angular structures, which differ significantly from conventional spherical metallic nanoparticles. As can be seen in the SEM image in FIG. 2, the individual particles consist of different platelets which grow into one another and next to one another and thereby form the distinct desert roses of similar formations (FIG. 3).
Aufgrund dieses Partikelwachstums können diese enzymatisch hergestellten Partikel selbst bei hohen Partikeldichten, bis hin zu einer geschlossenen leitfähigen Schicht, als SERS-Substrat verwendet werden. Ihre eckigen und rauen Nanostrukturen führen durch die lokalen Überhöhungen des elektromagnetischen Feldes zu einer Verhinderung des Zusammenbrechens der SERS-Aktivität. Dadurch ist es möglich die SERS-Aktivität dieser enzymatisch hergestellten metallischen Nanostrukturen mit Hilfe einer einfachen elektrischen Leifähigkeitsmessung zu charakterisieren. Due to this particle growth, these enzymatically produced particles can be used as SERS substrate even at high particle densities, even to a closed conductive layer become. Their angular and rough nanostructures prevent the collapse of SERS activity due to local elevations of the electromagnetic field. This makes it possible to characterize the SERS activity of these enzymatically produced metallic nanostructures with the aid of a simple electrical conductivity measurement.
Die enzymatische Reaktion kann gemäß der Erfindung von verschiedenen Enzymen katalysiert werden. Neben der Abscheidung von Silber ist auch die Herstellung von anderen Metallnanopartikeln möglich. Beispielsweise kann neben der Meerrettichperoxidase induzierten Silberabscheidung auch Glukoseoxidase oder alkalische Phosphatase zum Einsatz kommen. The enzymatic reaction can be catalyzed by various enzymes according to the invention. In addition to the deposition of silver, the production of other metal nanoparticles is possible. For example, in addition to horseradish peroxidase-induced silver deposition, glucose oxidase or alkaline phosphatase can also be used.
Da die enzymatische Abscheidung der Metallnanopartikel, insbesondere der Silberaanopartikel auf dem Substrat zwischen den beiden Elektroden, von der Konzentration der Linker- Moleküle abhängig ist, wird die Metallnanopartikeldichte, insbesondere die Silbernanopartikel- dichte (optimal etwa 50 bis 70%) erfindungsgemäß durch die Konzentration der Linker- Moleküle (bspw. einzelsträngige DNA beliebiger Sequenz, die endständig Amin- und Biotin-modifiziert ist) eingestellt. Since the enzymatic deposition of the metal nanoparticles, in particular the silver nanoparticles on the substrate between the two electrodes, depends on the concentration of the linker molecules, the metal nanoparticle density, in particular the silver nanoparticle density (optimally about 50 to 70%) according to the invention by the concentration of Linker molecules (for example, single-stranded DNA of any sequence that is terminally amine- and biotin-modified) are set.
Bspw. kann durch eine Linker- Konzentration von 5μΜ eine Partikeldichte von etwa 60% eingestellt werden.  For example. can be adjusted by a linker concentration of 5μΜ a particle density of about 60%.
Zu Immobilisierung des Enzyms auf der Substratoberfläche wird ein Linkermolekül benötigt. Das Linkermolekül muss in seiner Eigenschaft eine Bindungsfunktionalität für das Enzym besitzten (bspw. Biotin). Und zusätzlich eine weitere Funktionalität, um auf der Trägeroberfläche zu binden (bspw. eine Amino-Modifizierung). Als Linkermolekül kann somit zum Beispiel DNA verwendet werden, welche endständig Biotin als auch Amino-modifiziert ist. Immobilization of the enzyme on the substrate surface requires a linker molecule. The linker molecule must possess in its capacity a binding functionality for the enzyme (eg biotin). And additionally, another functionality to bind to the support surface (eg, an amino modification). Thus, for example, DNA can be used as linker molecule, which terminal is biotin as well as amino-modified.
In Folge eines weiteren Wachtums der enzymatisch hergestellten Silbernanopartikel auf dem Substrat wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren eine metallische Verbindung zwischen den beiden Elektroden generiert. As a result of further growth of the enzymatically produced silver nanoparticles on the substrate, according to the inventive method generates a metallic connection between the two electrodes.
Diese metallische Verbindung zwischen den beiden Elektroden wird erfindungsgemäß dazu verwendet, durch eine einfache Leitfähigkeitsmessung die SERS- Aktivität der neuartigen SERS- Substrate zu bestimmen, da überraschend gefunden wurde, dass eine Beziehung zwischen der SERS- Aktivität und der Leitfähigkeit der erfindungsgemäßen SERS- Substrate (enzymatisch abgeschiedene Metallnanopartikel, insbesondere Silbemanopartikel, auf einem Substrat zwischen zwei Elektroden) besteht. This metallic compound between the two electrodes is used according to the invention to determine the SERS activity of the novel SERS substrates by a simple conductivity measurement, since it was surprisingly found that a relationship between the SERS activity and the conductivity of the SERS substrates according to the invention ( enzymatically deposited metal nanoparticles, especially silver manoparticles, on a substrate between two electrodes).
Die erfindungsgemäßen SERS- Substrate zeigen zwischen etwa 1 bis 10 μ§ ihre höchste SERS- Aktivität, wohin gegen bei SERS- Substraten gemäß dem Stand der Technik bei etwa 1 μ8 die SERS- Aktivität bereits zusammen bricht. The SERS substrates according to the invention show their highest SERS activity between about 1 to 10 μs, whereas in the case of SERS substrates according to the prior art, the SERS activity already breaks down at about 1 μ8.
Im Rahmen der Erfindung liegt aber auch neben dieser elektrischen SERS- Substrat- Analyse die Charakterisierung der SERS-Aktivität über Grauwertanalyse (optische Analyse). In the context of the invention, however, apart from this electrical SERS substrate analysis, too, the characterization of the SERS activity lies above gray value analysis (optical analysis).
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen SERS-Substrate in Form von enzymatisch hergestellten Metallnanopartikeln, insbesondere enzymatisch hergestellten Silbernanopartikeln, besteht darin, dass diese zur Charakterisierung der SERS-Aktivität über elektrische Leitfähigkeit oder Grauwertanalyse verwendet werden, wodurch eine Charakterisierung der SERS- Substratoberfläche in sehr kurzer Zeit möglich ist und nicht direkt vor deren bestimmungsgemäßen Einsatz erfolgen muss (entgegen dem Stand der Technik keine umständlichen Charakterisierungen unter Verwendung von Standardmolekülen notwendig), bzw. dass keine teuren, im Reinraum hergestellten SERS- Substrate nötig sind, um gute SERS- Messungen durchführen zu können. The particular advantage of the SERS substrates according to the invention in the form of enzymatically produced metal nanoparticles, in particular enzymatically produced silver nanoparticles, is that they are used to characterize the SERS activity via electrical conductivity or gray value analysis, whereby a characterization of the SERS substrate surface in a very short time is possible and does not have to take place directly before its intended use (contrary to the state of the art, no cumbersome characterizations using standard molecules necessary), or that no expensive, produced in clean room SERS substrates are necessary to perform good SERS measurements can ,
Dies ist auf Grund der Wüstenrosen-ähnlichen Struktur der enzymatisch abgeschiedenen Silbemanopartikel (Fig. 3) möglich. Diese Struktur verhindert durch die vielen nadelartigen Vorsprünge einen Abfall der SERS-Aktivität bei der Ausbildung einer leitfähigen Schicht von enzymatisch abgeschiedenen Silbernanopartikeln. Dadurch ist eine Charakterisierung der SERS- Aktivität der enzymatisch abgeschiedenen Silbernanopartikel auch bei größeren Partikeldichten möglich. Dies steht im Gegensatz zu dem Verhalten von sphärischen Nanopartikeln. Diese Eigenschaft ermöglicht eine einfache und schnelle Charakterisierung der SERS-Substrate über die elektrische Leitfähigkeit. Zusätzlich ist eine optische Charakterisierung über die Analyse der Grauwerte möglich. This is possible because of the desert rose-like structure of the enzymatically deposited silver mane particles (Figure 3). This structure prevents by the many needle-like projections a drop in the SERS activity in the formation of a conductive layer of enzymatically deposited silver nanoparticles. This makes it possible to characterize the SERS activity of the enzymatically deposited silver nanoparticles even with larger particle densities. This is in contrast to the behavior of spherical nanoparticles. This property allows a simple and rapid characterization of the SERS substrates via the electrical conductivity. In addition, an optical characterization via the analysis of the gray values is possible.
Weiterhin zeigen die erfindungsgemäßen, enzymatisch abgeschiedenen Metallnanopartikel, insbesondere Silbernanopartikel, einen breiten Absorptionsbereich. Während der Absorptionsbereich von sphärischen Nanopartikeln sehr schmalbandig ist (im Durchschnitt 50-200 nm), reicht der Absorptionsbereich der enzymatisch abgeschiedenen Silbernanopartikel vom nahen UV bis in den IR-Bereich. Furthermore, the enzyme-deposited metal nanoparticles according to the invention, in particular silver nanoparticles, show a broad absorption range. While the absorption range of spherical nanoparticles is very narrow (50-200 nm on average), the absorption range of the enzymatically deposited silver nanoparticles ranges from the near UV to the IR range.
Dies ermöglicht die Verwendung der enzymatisch abgeschiedenen Silbernanopartikel mit den verschiedensten Anregungsfrequenzen, da diese im Absorptionsbereich des Metall-Substrates liegen müssen. This allows the use of the enzymatically deposited silver nanoparticles with the most diverse excitation frequencies, since they must lie in the absorption region of the metal substrate.
Außerdem ist es möglich diese SERS-Substrate auch für quantitative Analysen zu nutzen. Dazu werden mehrere SERS-Substrate hergestellt. Durch die Messung der elektrischen Leitfähigkeit werden die SERS- Substrate hinsichtlich ihrer SERS-Aktivität charakterisiert, um die Messungen auf verschiedenen SERS-Substraten vergleichbar zu machen. Anschließend werden die SERS-Substrate mit verschiedenen Konzentrationen der Analytlösung inkubiert und vermessen. Mithilfe der somit ermittelten Kalibrationsreihe können anschließend unbekannte Konzentrationen bestimmt werden. It is also possible to use these SERS substrates for quantitative analysis. For this purpose, several SERS substrates are produced. By measuring the electrical conductivity, the SERS substrates are characterized in terms of their SERS activity in order to make the measurements on different SERS substrates comparable. Subsequently, the SERS substrates are incubated with different concentrations of the analyte solution and measured. Using the calibration series thus determined, unknown concentrations can subsequently be determined.
Die erfindungsgemäßen SERS-Substrate können bspw. für die Detektion von niedermolekularen Substanzen (bspw. Farbstoffe, Antibiotika) von Biomolekülen (bspw. DNA, PNA, Proteine), von Naturstoffen und von organischen Polymeren verwendet werden. The SERS substrates according to the invention can be used, for example, for the detection of low-molecular-weight substances (for example dyes, antibiotics) of biomolecules (for example DNA, PNA, proteins), of natural substances and of organic polymers.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 : eine schematische Darstellung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen SERS- Substrate (Immobilisierung von Meerrettich- Peroxidase- Molekülen im Elektrodenspalt und enzymatische Abscheidung von Metallnanopartikeln, insbesondere Silbernanopartikeln, auf einer Substratoberfläche), The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings and the embodiments. Show it: 1 shows a schematic representation for carrying out the method according to the invention for producing the SERS substrates according to the invention (immobilization of horseradish peroxidase molecules in the electrode gap and enzymatic deposition of metal nanoparticles, in particular silver nanoparticles, on a substrate surface),
Fig. 2: eine Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer 2: a scanning electron micrograph of a
Ausführungsform des erfindungsgemäßen SERS-Substrates Embodiment of the SERS substrate according to the invention
(Metallpartikel in Form von Silberpartikeln mit Wüstenrosen- ähnlicher Form auf Substratoberfläche, hergestellt nach dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Verfahren) und (Metal particles in the form of silver particles with desert rose-like shape on substrate surface, prepared according to the method schematically shown in Figure 1)
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen SERS- Substrates (Metallpartikel auf Substratoberfläche). 3 shows a schematic representation of an embodiment of the SERS substrate according to the invention (metal particles on substrate surface).
Ausführungsbeispiel 1 Embodiment 1
Herstellung einer Ausführungsform des erfindungs gemäße Production of an embodiment of the Invention according to
Substrates substrate
Waschen der Trägermaterialien 5 min im Ultraschallbad in Azeton, Ethanol und destilliertem H20 Wash the support materials for 5 min in an ultrasound bath in acetone, ethanol and distilled H 2 0
Trocknung unter.Stickstoff  Drying under nitrogen
Nasschemische Aktivierung mit einer 1 : 1 : 1 (v/v/v)- Mischung von konz. HCl : H202 : H20 für 10 min bei 20 °C Wet chemical activation with a 1: 1: 1 (v / v / v) mixture of conc. HCl: H 2 0 2 : H 2 O for 10 min at 20 ° C
gründliche Reinigung mit destilliertem H20 Thorough cleaning with distilled H 2 0
Trocknung mit Stickstoff und abschließend im Trockenofen bei 80 - 100 °C für 5 min  Drying with nitrogen and finally in a drying oven at 80 - 100 ° C for 5 min
alternativ physikalische Aktivierung mit Hilfe eines  alternatively physical activation with the help of a
Plasmastrippers bei 1 mbar bei 400 W für 30 min - alternativ Aktivierung mittels Plasmaätzen in einem Plasma transporters at 1 mbar at 400 W for 30 min - Alternatively activation by means of plasma etching in one
zweistufigen Prozess: 30 sec im Argonplasma bei 50 W und 5 Pa und 5 min im Sauerstoffplasma bei 50 W und 5 Pa  two-step process: 30 sec in argon plasma at 50 W and 5 Pa and 5 min in oxygen plasma at 50 W and 5 Pa
- Silanisierung mit 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan (GOPS) in einer 10 mM Lösung GOPS in wasserfreiem Toluol für 6 h bei 70 °C unter permanentem Rühren  - Silanization with 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GOPS) in a 10 mM solution of GOPS in anhydrous toluene for 6 h at 70 ° C with permanent stirring
- anschließend jeweils zweimal 5 min in Toluol, Ethanol und Wasser waschen  - Wash twice in toluene, ethanol and water for 5 min
- Spotten der Biotin-modifizierten Fänger-DNA in 3 x SSC oder 150 mM Phospatpuffer (PB) jeweils mit pH 8,5  - Spotting the biotin-modified capture DNA in 3 x SSC or 150 mM phosphate buffer (PB) each with pH 8.5
- Inkubation der gespotteten Trägermaterialien für 3 h in einer Feuchtkammer bei 37 °C  Incubate the spotted support materials for 3 h in a humid chamber at 37 ° C
- 5 min Waschen in einer 0,1 %-igen wässrigen Triton X-100 Lösung  - 5 min washing in a 0.1% aqueous Triton X-100 solution
- Reinigung für 2 x 2 min in HCl pH 4,0 und 10 min in einer 100 mM KCl Lösung  - Purification for 2 x 2 min in HCl pH 4.0 and 10 min in a 100 mM KCl solution
- kurz mit destilliertem H20 waschen - wash briefly with distilled H 2 0
- 15 min in eine 50 mM Ethanolaminlösung mit 0, 1 % SDS in Tris pH 9,0 inkubieren  - Incubate for 15 min in a 50 mM ethanolamine solution with 0.1% SDS in Tris pH 9.0
- kurz mit destilliertem H20 waschen und unter Stickstoff Wash briefly with distilled H 2 O and under nitrogen
trocknen  dry
- Anbindung des Enzymkomplexes in einer 1 : 1000 Verdünnung in PBS pH 7,4 / 0,05 % Tween 20 für 1 h bei 20 °C  - Attachment of the enzyme complex in a 1: 1000 dilution in PBS pH 7.4 / 0.05% Tween 20 for 1 h at 20 ° C.
- 6 x 5 min mit PBS pH 7,4 / 0,05 % Tween 20 waschen  - Wash with PBS pH 7.4 / 0.05% Tween 20 for 6 x 5 min
- Spülen mit destilliertem H20 - Rinse with distilled H 2 0
- mit Stickstoff trocknen  - Dry with nitrogen
- Inkubation der Trägeroberfläche mit EnzMet™ Kit zur  Incubate the support surface with EnzMet ™ Kit for
Silberabscheidung für 5 min  Silver deposition for 5 min
- Stoppen der Reaktion durch Waschen mit destilliertem H20Stopping the reaction by washing with distilled H 2 0
- unter Stickstoff trocknen - dry under nitrogen
Überprüfung / Charakterisierung Verification / characterization
- Charakterisierung der SERS-Aktivität über die Messung der elektrischen Leitfähigkeit  - Characterization of the SERS activity by measuring the electrical conductivity
- Liegt die elektrische Leitfähigkeit der Substrate zwischen 1 μ8 und 10μ8 kann das Substrat verwendet werden Ausführungsbeispiel 2 - If the electrical conductivity of the substrates is between 1 μ8 and 10μ8, the substrate can be used Embodiment 2
SERS- Messungen mit dem gemäß Ausfuhrungsbeispiel 1 hergestellten SERS- Substrat zum Nachweis von niedermolekularen Substanzen in Form von Farbstoffen SERS measurements with the SERS substrate prepared according to Example 1 for the detection of low molecular weight substances in the form of dyes
Inkubation des SERS-Substrates mit Farbstofflösung (z.B. Kristallviolett oder Carboxyfluoreszein) definierter Konzentration für 1 h bei Raumtemperatur Incubation of the SERS substrate with dye solution (e.g., crystal violet or carboxyfluorescein) of defined concentration for 1 h at room temperature
- Abpusten der Farbstofflösung mit Druckluft und Trocknen der - Blowing the dye solution with compressed air and drying the
SERS-Substrate SERS substrates
Messen der SERS-Spektren des Farbstoffes mit Raman- Mikroskop und frequenzverdoppeltem Nd:YAG-Laser Durch Vermessen verschiedener Konzentrationen ist die Aufstellung einer Kalibrationsgerade möglich, welche im Measuring the SERS Spectra of the Dye with Raman Microscope and Frequency-Doubled Nd: YAG Laser By measuring different concentrations, it is possible to set up a calibration line that can be used in the
Anschluss die Ermittlung unbekannter Analytkonzentrationen ermöglicht Connection allows the determination of unknown analyte concentrations
Ausführungsbeispiel 3 Embodiment 3
SERS- Messungen mit dem gemäß Ausführungsbeispiel 1 hergestellten SERS- Substrat zum Nachweis von niedermolekularen Substanzen in Form von Antibiotika SERS measurements with the SERS substrate prepared according to Example 1 for the detection of low molecular weight substances in the form of antibiotics
Inkubation des SERS-Substrates mit Lösung des Incubation of the SERS substrate with solution of the
Antibiotikums (z.B. Vancomycin oder Ciprofloxacin) definierter Konzentration für 1 h bei Raumtemperatur Abpusten der Antibiotikum-Lösung mit Druckluft und Trocknen der SERS-Substrate  Antibiotic (e.g., vancomycin or ciprofloxacin) of defined concentration for 1 h at room temperature. Blowing the antibiotic solution with compressed air and drying the SERS substrates
Messen der SERS-Spektren des Antibiotikums mit Raman- Mikroskop und frequenzverdoppeltem Nd:YAG-Laser Durch Vermessen verschiedener Konzentrationen ist die Aufstellung einer Kalibrationsgerade möglich, welche im Anschluss die Ermittlung unbekannter Analytkonzentrationen ermöglicht Ausführungsbeispiel 4 Measuring the SERS Spectra of the Antibiotic Using Raman Microscope and Frequency-Doubled Nd: YAG Laser By measuring various concentrations, it is possible to set up a calibration line, which then allows the determination of unknown analyte concentrations Embodiment 4
Herstellung der SERS- Substrate und deren Verwendung für SERS- Messungen zum DNA-Nachweis Preparation of SERS substrates and their use for SERS measurements for DNA detection
Variante a) Option A)
- Waschen der Trägermaterialien 5 min im Ultraschallbad in Azeton, Ethanol und destilliertem H20 - Washing the support materials for 5 min in an ultrasonic bath in acetone, ethanol and distilled H 2 0
- Trocknung unter Stickstoff  - Drying under nitrogen
- Nasschemische Aktivierung mit einer 1 : 1 : 1 (v/v/v)- Mischung von konz. HCl : H202 : H20 für 10 min bei 20 °C Wet-chemical activation with a 1: 1: 1 (v / v / v) mixture of conc. HCl: H 2 0 2 : H 2 O for 10 min at 20 ° C
- gründliche Reinigung mit destiliertem H20 - Thorough cleaning with distilled H 2 0
- Trocknung mit Stickstoff und abschließend im Trockenofen bei 80 - 100 °C für 5 min  - Drying with nitrogen and finally in a drying oven at 80 - 100 ° C for 5 min
- alternativ physikalische Aktivierung mit Hilfe eines  - alternatively physical activation with the help of a
Plasmastrippers bei 1 mbar bei 400 W für 30 min  Plasma transporters at 1 mbar at 400 W for 30 min
- alternativ Aktivierung mittels Plasmaätzen in einem  - Alternatively activation by means of plasma etching in one
zweistufigen Prozess: 30 sec im Argonplasma bei 50 W und 5 Pa und 5 min im Sauerstoffplasma bei 50 W und 5 Pa two-step process: 30 sec in argon plasma at 50 W and 5 Pa and 5 min in oxygen plasma at 50 W and 5 Pa
- Silanisierung mit 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan (GOPS) in eine 10 mM Lösung GOPS in wasserfreiem Toluol für 6 h bei 70 °C unter permanentem Rühren - Silanization with 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GOPS) in a 10 mM solution of GOPS in anhydrous toluene for 6 h at 70 ° C with permanent stirring
- anschließend jeweils zweimal 5 min in Toluol, Ethanol und Wasser waschen  - Wash twice in toluene, ethanol and water for 5 min
- Spotten der Biotin-modifizierten Fänger-DNA in 3 x SSC oder 150 mM Phospatpuffer (PB) jeweils mit pH 8,5  - Spotting the biotin-modified capture DNA in 3 x SSC or 150 mM phosphate buffer (PB) each with pH 8.5
- Inkubation der gespotteten Trägermaterialien für 3 h in einer Feuchtkammer bei 37 °C  Incubate the spotted support materials for 3 h in a humid chamber at 37 ° C
- 5 min Waschen in einer 0, 1 %-igen wässrigen Triton X-100 Lösung  Wash in a 0.1% aqueous Triton X-100 solution for 5 min
- Reinigung für 2 x 2 min in HCl pH 4,0 und 10 min in einer 100 mM KCl Lösung  - Purification for 2 x 2 min in HCl pH 4.0 and 10 min in a 100 mM KCl solution
- kurz mit destilliertem H20 waschen - wash briefly with distilled H 2 0
- 15 min in eine 50 mM Ethanolaminlösung mit 0,1 % SDS in Tris pH 9,0 inkubieren kurz mit destilliertem H20 waschen und unter Stickstoff trocknen - Incubate for 15 min in a 50 mM ethanolamine solution with 0.1% SDS in Tris pH 9.0 Wash briefly with distilled H 2 O and dry under nitrogen
einzelsträngige Proben-DNA in 5 x SSC pH 7,0 / 0,1 % SDS aufnehmen und anschließend zur Hybridisierung auf die Trägeroberfläche geben take up single-stranded sample DNA in 5 × SSC pH 7.0 / 0.1% SDS and then add to the carrier surface for hybridization
Inkubation für zwei Stunden bei der Incubation for two hours at the
Hybridisierungstemperatur im Hybridisierungsofen Hybridization temperature in the hybridization oven
jeweils 5 min in 2 x SSC / 0,1 % SDS; 2 x SSC und 0,2 x SSC waschen, mit Stickstoff trocken blasen und bei 4 °C im 5 min each in 2 x SSC / 0.1% SDS; Wash 2 x SSC and 0.2 x SSC, blow dry with nitrogen and heat at 4 ° C
Kühlschrank lagern Store the refrigerator
einzelsträngige, am 3' oder/und 5' Ende mit einem Raman- aktiven Molekül modifizierten Label-DNA in 5 x SSC pH 7,0 / 0,1 % SDS aufnehmen und anschließend zur Hybridisierung auf die Trägeroberfläche geben single-stranded label DNA modified at the 3 'or / and 5' end with a Raman-active molecule in 5 × SSC pH 7.0 / 0.1% SDS and then added to the carrier surface for hybridization
Inkubation für zwei Stunden bei der Incubation for two hours at the
Hybridisierungstemperatur im Hybridisierungsofen Hybridization temperature in the hybridization oven
jeweils 5 min in 2 x SSC / 0,1 % SDS; 2 x SSC und 0,2 x SSC waschen, mit Stickstoff trocken blasen und bei 4 °C im 5 min each in 2 x SSC / 0.1% SDS; Wash 2 x SSC and 0.2 x SSC, blow dry with nitrogen and heat at 4 ° C
Kühlschrank lagern Store the refrigerator
Anbindung des Enzymkomplexes in einer 1 : 1000 Verdünnung in PBS pH 7,4 / 0,05 % Tween 20 für eine Stunde bei 20 °C entweder in der Hybridisierungskammer  Attachment of the enzyme complex in a 1: 1000 dilution in PBS pH 7.4 / 0.05% Tween 20 for one hour at 20 ° C either in the hybridization chamber
6 x 5 min mit PBS pH 7,4 / 0,05 % Tween 20 waschen  Wash 6x5 min with PBS pH 7.4 / 0.05% Tween 20
Spülen mit destilliertem H20 Rinse with distilled H 2 0
mit Stickstoff trocknen dry with nitrogen
Inkubation der Trägeroberfläche mit EnzMet™ Kit zur  Incubate the support surface with EnzMet ™ Kit for
Silberabscheidung für 5 min Silver deposition for 5 min
Stoppen der Reaktion durch Waschen mit destilliertem H20 unter Stickstoff trocknen Stop the reaction by washing with distilled H 2 O under nitrogen
Charakterisierung der SERS -Aktivität über die Messung der elektrischen Leitfähigkeit  Characterization of the SERS activity by measuring the electrical conductivity
Liegt die elektrische Leitfähigkeit der Substrate zwischen 1 μ§ und 10 μ8 kann das Substrat verwendet werden  If the electrical conductivity of the substrates is between 1 μ§ and 10 μ8, the substrate can be used
Detektion des Raman-aktiven Moleküls mittels eines Detection of the Raman-active molecule by means of a
konventionellen Mikro-Raman-Spektrometer Variante b) conventional micro-Raman spectrometer Variant b)
- Waschen der Trägermaterialien 5 min im Ultraschallbad in Azeton, Ethanol und destilliertem H20 - Washing the support materials for 5 min in an ultrasonic bath in acetone, ethanol and distilled H 2 0
- Trocknung unter Stickstoff  - Drying under nitrogen
- Nasschemische Aktivierung mit einer 1 : 1 : 1 (v/v/v)- Mischung von konz. HCl : H202 : H20 für 10 min bei 20 °C Wet-chemical activation with a 1: 1: 1 (v / v / v) mixture of conc. HCl: H 2 0 2 : H 2 O for 10 min at 20 ° C
- gründliche Reinigung mit destilliertem H20 - Thorough cleaning with distilled H 2 0
- Trocknung mit Stickstoff und abschließend im Trockenofen bei 80 - 100 °C für 5 min  - Drying with nitrogen and finally in a drying oven at 80 - 100 ° C for 5 min
- alternativ physikalische Aktivierung mit Hilfe eines  - alternatively physical activation with the help of a
Plasmastrippers bei 1 mbar bei 400 W für 30 min  Plasma transporters at 1 mbar at 400 W for 30 min
- alternativ Aktivierung mittels Plasmaätzen in einem  - Alternatively activation by means of plasma etching in one
zweistufigen Prozess: 30 sec im Argonplasma bei 50 W und 5 Pa und 5min im Sauerstoffplasma bei 50 W und 5 Pa two-step process: 30 sec in argon plasma at 50 W and 5 Pa and 5 min in oxygen plasma at 50 W and 5 Pa
- Silanisierung mit 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan (GOPS) in eine 10 mM Lösung GOPS in wasserfreiem Toluol für 6 h bei 70 °C unter permanentem Rühren - Silanization with 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GOPS) in a 10 mM solution of GOPS in anhydrous toluene for 6 h at 70 ° C with permanent stirring
- anschließend jeweils zweimal 5 min in Toluol, Ethanol und Wasser waschen  - Wash twice in toluene, ethanol and water for 5 min
- Spotten der Biotin-modifizierten Fänger-DNA in 3 x SSC oder 150 mM Phospatpuffer (PB) jeweils mit pH 8,5  - Spotting the biotin-modified capture DNA in 3 x SSC or 150 mM phosphate buffer (PB) each with pH 8.5
- Inkubation der gespotteten Trägermaterialien für 3 h in einer Feuchtkammer bei 37 °C  Incubate the spotted support materials for 3 h in a humid chamber at 37 ° C
- 5 min Waschen in einer 0, 1 %-igen wässrigen Triton X- 100 Lösung  Wash in a 0.1% aqueous Triton X-100 solution for 5 min
- Reinigung für 2 x 2 min in HCl pH 4,0 und 10 min in einer 100 mM KCl Lösung  - Purification for 2 x 2 min in HCl pH 4.0 and 10 min in a 100 mM KCl solution
- kurz mit destilliertem H20 waschen - wash briefly with distilled H 2 0
- 15 min in eine 50 mM Ethanolaminlösung mit 0,1 % SDS in Tris pH 9,0 inkubieren  - Incubate for 15 min in a 50 mM ethanolamine solution with 0.1% SDS in Tris pH 9.0
- kurz mit destilliertem H20 waschen und unter Stickstoff Wash briefly with distilled H 2 O and under nitrogen
trocknen  dry
- einzelsträngige Proben-DNA in 5 x SSC pH 7,0 / 0, 1 % SDS aufnehmen und anschließend zur Hybridisierung auf die Trägeroberfläche geben - Inkubation für zwei Stunden bei der - take single-stranded sample DNA in 5 x SSC pH 7.0 / 0.1% SDS and then add to the support surface for hybridization Incubation for two hours at the
Hybridisierungstemperatur im Hybridisierungsofen  Hybridization temperature in the hybridization oven
- jeweils 5 min in 2 x SSC / 0,1 % SDS; 2 x SSC und 0,2 x SSC waschen, mit Stickstoff trocken blasen und bei 4 °C im Kühlschrank lagern  5 min each in 2 x SSC / 0.1% SDS; Wash 2 x SSC and 0.2 x SSC, blow dry with nitrogen and refrigerate at 4 ° C
- Anbindung des Enzymkomplexes in einer 1 : 1000 Verdünnung in PBS pH 7,4 / 0,05 % Tween 20 für 1 h bei 20 °C  - Attachment of the enzyme complex in a 1: 1000 dilution in PBS pH 7.4 / 0.05% Tween 20 for 1 h at 20 ° C.
- 6 x 5 min mit PBS pH 7,4 / 0,05 % Tween 20 waschen  - Wash with PBS pH 7.4 / 0.05% Tween 20 for 6 x 5 min
- Spülen mit destilliertem H20 - Rinse with distilled H 2 0
- mit Stickstoff trocknen  - Dry with nitrogen
- Inkubation der Trägeroberfläche mit EnzMet™ Kit zur  Incubate the support surface with EnzMet ™ Kit for
Silberabscheidung für 5 min  Silver deposition for 5 min
- Stoppen der Reaktion durch Waschen mit destilliertem H20Stopping the reaction by washing with distilled H 2 0
- unter Stickstoff trocknen - dry under nitrogen
- einzelsträngige, am 3' oder/und 5' Ende mit einem Raman- aktiven Molekül modifizierten Label-DNA in 5 x SSC pH 7,0 / 0,1 % SDS aufnehmen und anschließend zur Hybridisierung auf die Trägeroberfläche geben  - Take up single-stranded label DNA modified at the 3 'or / and 5' end with a Raman-active molecule in 5 × SSC pH 7.0 / 0.1% SDS and then add to the carrier surface for hybridization
- Inkubation für 2 h bei der optimierten  - Incubation for 2 h in the optimized
Hybridisierungstemperatur im Hybridisierungsofen  Hybridization temperature in the hybridization oven
- jeweils 5 min in 2 x SSC / 0,1 % SDS; 2 x SSC und 0,2 x SSC waschen, mit Stickstoff trocken blasen und bei 4 °C im Kühlschrank lagern  5 min each in 2 x SSC / 0.1% SDS; Wash 2 x SSC and 0.2 x SSC, blow dry with nitrogen and refrigerate at 4 ° C
- Charakterisierung der SERS -Aktivität über die Messung der elektrischen Leitfähigkeit  - Characterization of the SERS activity by measuring the electrical conductivity
- Liegt die elektrische leitfahigkeit der Substrate zwischen 1 μ8 und 10μ8 kann das Substrat verwendet werden  - If the electrical conductivity of the substrates is between 1 μ8 and 10μ8, the substrate can be used
- Detektion des Raman-aktiven Moleküls mittels eines  Detection of the Raman-active molecule by means of a
konventionellen Mikro-Raman-Spektrometer  conventional micro-Raman spectrometer
Variante c) Variant c)
- Waschen der Trägermaterialien 5 min im Ultraschallbad in Azeton, Ethanol und destilliertem H20 - Washing the support materials for 5 min in an ultrasonic bath in acetone, ethanol and distilled H 2 0
- Trocknung unter Stickstoff  - Drying under nitrogen
- Nasschemische Aktivierung mit einer 1 : 1 : 1 (v/v/v)- Mischung von konz. HCl : H202 : H20 für 10 min bei 20 °C gründliche Reinigung mit destilliertem H20 Wet-chemical activation with a 1: 1: 1 (v / v / v) mixture of conc. HCl: H 2 0 2 : H 2 O for 10 min at 20 ° C Thorough cleaning with distilled H 2 0
Trocknung mit Stickstoff und abschließend im Trockenofen bei 80 - 100 °C für 5 min  Drying with nitrogen and finally in a drying oven at 80 - 100 ° C for 5 min
alternativ physikalische Aktivierung mit Hilfe eines alternatively physical activation with the help of a
Plasmastrippers bei 1 mbar bei 400 W für 30 min Plasma transporters at 1 mbar at 400 W for 30 min
alternativ Aktivierung mittels Plasmaätzen in einem alternatively activation by means of plasma etching in one
zweistufigen Prozess: 30 sec im Argonplasma bei 50 W und 5 Pa und 5min im Sauerstoffplasma bei 50 W und 5 Pa two-step process: 30 sec in argon plasma at 50 W and 5 Pa and 5 min in oxygen plasma at 50 W and 5 Pa
Silanisierung mit 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan (GOPS) in eine 10 mM Lösung GOPS in wasserfreiem Toluol für 6 h bei 70 °C unter permanentem Rühren Silanization with 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane (GOPS) into a 10 mM GOPS solution in anhydrous toluene for 6 h at 70 ° C with permanent stirring
anschließend jeweils zweimal 5 min in Toluol, Ethanol und Wasser waschen then wash each twice for 5 min in toluene, ethanol and water
Spotten der Biotin-modifizierten Fänger-DNA in 3 x SSC oder 150 mM Phospatpuffer (PB) jeweils mit pH 8,5  Spotting the biotin-modified capture DNA in 3 x SSC or 150 mM phosphate buffer (PB) each at pH 8.5
Inkubation der gespotteten Trägermaterialien für 3 h in einer Feuchtkammer bei 37 °C Incubate the spotted support materials for 3 h in a humid chamber at 37 ° C
5 min Waschen in einer 0,1 %-igen wässrigen Triton X-100 Lösung  Wash for 5 min in a 0.1% aqueous Triton X-100 solution
Reinigung für 2 x 2 min in HCl pH 4,0 und 10 min in einer Purification for 2 x 2 min in HCl pH 4.0 and 10 min in one
100 mM KCl Lösung 100 mM KCl solution
kurz mit destilliertem H20 waschen Wash briefly with distilled H 2 0
15 min in eine 50 mM Ethanolaminlösung mit 0,1 % SDS in Tris pH 9,0 inkubieren  Incubate for 15 min in a 50 mM ethanolamine solution with 0.1% SDS in Tris pH 9.0
kurz mit destilliertem H20 waschen und unter Stickstoff trocknen Wash briefly with distilled H 2 O and dry under nitrogen
Anbindung des Enzymkomplexes in einer 1 : 1000 Verdünnung in PBS pH 7,4 / 0,05 % Tween 20 für 1 h bei 20 °C  Attachment of the enzyme complex in a 1: 1000 dilution in PBS pH 7.4 / 0.05% Tween 20 for 1 h at 20 ° C.
6 x 5 min mit PBS pH 7,4 / 0,05 % Tween 20 waschen  Wash 6x5 min with PBS pH 7.4 / 0.05% Tween 20
Spülen mit destiliertem H20 Rinse with distilled H 2 0
mit Stickstoff trocknen dry with nitrogen
Inkubation der Trägeroberfläche mit EnzMet™ Kit zur  Incubate the support surface with EnzMet ™ Kit for
Silberabscheidung für 5 min Silver deposition for 5 min
Stoppen der Reaktion durch Waschen mit destiliertem H20 unter Stickstoff trocknen einzelsträngige Proben-DNA in 5 x SSC pH 7,0 / 0,1 % SDS aufnehmen und anschließend zur Hybridisierung auf die Trägeroberfläche geben Stopping the reaction by washing with distilled H 2 0 dry under nitrogen take up single-stranded sample DNA in 5 × SSC pH 7.0 / 0.1% SDS and then add to the carrier surface for hybridization
Inkubation für 2 h bei der Hybridisierungstemperatur im Hybridisierungsofen  Incubation for 2 h at the hybridization temperature in the hybridization oven
jeweils 5 min in 2 x SSC / 0,1 % SDS; 2 x SSC und 0,2 x SSC waschen, mit Stickstoff trocken blasen und bei 4 °C im Kühlschrank lagern  5 min each in 2 x SSC / 0.1% SDS; Wash 2 x SSC and 0.2 x SSC, blow dry with nitrogen and refrigerate at 4 ° C
einzelsträngige, am 3' oder/und 5' Ende mit einem Raman- aktiven Molekül modifizierten Label-DNA in 5 x SSC pH 7,0 / 0,1 % SDS aufnehmen und anschließend zur Hybridisierung auf die Trägeroberfläche geben  single-stranded label DNA modified at the 3 'or / and 5' end with a Raman-active molecule in 5 × SSC pH 7.0 / 0.1% SDS and then added to the carrier surface for hybridization
Inkubation für 2 h bei der Hybridisierungstemperatur im Hybridisierungsofen  Incubation for 2 h at the hybridization temperature in the hybridization oven
jeweils 5 min in 2 x SSC / 0,1 % SDS; 2 x SSC und 0,2 x SSC waschen, mit Stickstoff trocken blasen und bei 4 °C im Kühlschrank lagern  5 min each in 2 x SSC / 0.1% SDS; Wash 2 x SSC and 0.2 x SSC, blow dry with nitrogen and refrigerate at 4 ° C
Charakterisierung der SERS-Aktivität über die Messung der elektrischen Leitfähigkeit  Characterization of the SERS activity by measuring the electrical conductivity
Liegt die elektrische leitfahigkeit der Substrate zwischen 1 μ8 und 10 \iS kann das Substrat verwendet werden  If the electrical conductivity of the substrates is between 1 μ8 and 10 μS, the substrate can be used
Detektion des Raman-aktiven Moleküls mittels eines konventionellen Mikro-Raman-Spektrometer  Detection of the Raman-active molecule by means of a conventional micro-Raman spectrometer
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. All in the description, the following claims and the drawings illustrated features may be essential to the invention both individually and in any combination.
Bezugszeichenliste durch die Immobilisierung von Merrettich- Peroxidase- Molekülen im Elektrodenspalt werden Silbemanopartikel abgeschieden By the immobilization of horseradish peroxidase molecules in the electrode gap silver particles are deposited
abgeschiedene Silbemanopartikel fuhren zu einer elektrisch leitfähigen Schicht  deposited silver particles lead to an electrically conductive layer
Nutzung der leitfähigen Schicht als SERS-Substrat  Use of the conductive layer as SERS substrate

Claims

SERS- Substrat bestehend aus enzymatisch auf einer Substratoberfläche abgeschiedenen Nanopartikeln aus Metall. SERS substrate consisting of metal nanoparticles deposited enzymatically on a substrate surface.
SERS- Substrat gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Metall Silber ist. SERS substrate according to claim 1, characterized in that the metal is silver.
SERS- Substrat gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel eine Wüstenrosen- ähnliche Form besitzen, in dem sie spitze, eckige Strukturen aufweisen. SERS substrate according to claim 1 or 2, characterized in that the nanoparticles have a desert rose-like shape in which they have pointed, angular structures.
SERS- Substrat gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche aus Glas, Silizium, Polymeren oder Hydrogel besteht. SERS substrate according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the substrate surface consists of glass, silicon, polymers or hydrogel.
SERS- Substrat gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche Linker- Moleküle, trägt, an welche Metallnanopartikel gebunden sind. SERS substrate according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that the substrate surface carries linker molecules to which metal nanoparticles are bound.
Verfahren zur Herstellung eines SERS- Substrats gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche bei dem auf einer Substratoberfläche zwischen zwei Elektroden Linker-Moleküle verankert werden, an welche im Anschluss Enzym- Moleküle gebunden werden, vermittels derer anschließend Metallnanopartikel auf der Substratoberfläche abgeschieden werden. A method for producing an SERS substrate according to one or more of the preceding claims, wherein linker molecules are anchored on a substrate surface between two electrodes, to which enzyme molecules are subsequently bound, by means of which metal nanoparticles are subsequently deposited on the substrate surface.
Verfahren zur Herstellung eines SERS- Substrats gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Linker-Moleküle einzelsträngige DNA verwendet wird. Process for producing an SERS substrate according to claim 6, characterized in that single-stranded DNA is used as linker molecules.
8. Verfahren zur Herstellung eines SERS- Substrats gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Enzym- Molekül Streptavidin- Meerrettich- Peroxidase- Komplex, Glukoseoxidase oder alkalische Phosphatase verwendet wird. 8. A method for producing an SERS substrate according to claim 6, characterized in that as the enzyme molecule Streptavidin-horseradish peroxidase complex, glucose oxidase or alkaline phosphatase is used.
9. Verfahren zur Herstellung eines SERS- Substrats gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallnanopartikel9. A method for producing an SERS substrate according to claim 6, characterized in that as metal nanoparticles
Silbernanopartikel verwendet werden. Silver nanoparticles are used.
10. Verfahren zur Überprüfung eines SERS- Substrats gemäß 1 , 2, 3, 4 oder 5 bei dem die SERS- Aktivität durch Leitfahigkeits- messung bestimmt wird. 10. A method of testing a SERS substrate according to 1, 2, 3, 4 or 5, wherein the SERS activity is determined by conductivity measurement.
11. Verfahren zur
Figure imgf000021_0001
eines SERS- Substrats gemäß 1, 2, 3, 4 oder 5 bei dem die SERS- Aktivität durch Grauwertanalyse (c) bestimmt wird.
11. Procedure for
Figure imgf000021_0001
an SERS substrate according to 1, 2, 3, 4 or 5 in which the SERS activity is determined by gray value analysis (c).
12. Verwendung eines SERS- Substrats gemäß 1, 2, 3, 4 oder 5 zum Nachweis von chemischen oder biologischen Substanzen. 12. Use of an SERS substrate according to 1, 2, 3, 4 or 5 for the detection of chemical or biological substances.
13. Verwendung eines SERS- Substrats gemäß 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Substanzen Antibiotika oder DNA sind. 13. Use of an SERS substrate according to 12, characterized in that the substances are antibiotics or DNA.
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