WO2014183861A1 - Sers substrate - Google Patents

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WO2014183861A1
WO2014183861A1 PCT/EP2014/001276 EP2014001276W WO2014183861A1 WO 2014183861 A1 WO2014183861 A1 WO 2014183861A1 EP 2014001276 W EP2014001276 W EP 2014001276W WO 2014183861 A1 WO2014183861 A1 WO 2014183861A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sers
substrate
carrier
sers substrate
substrate according
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/001276
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hainer WACKERBARTH
Jürgen IHLEMANN
Sebastian Funke
Original Assignee
Laser-Laboratorium Göttingen e.V.
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 Laser-Laboratorium Göttingen e.V. filed Critical Laser-Laboratorium Göttingen e.V.
Publication of WO2014183861A1 publication Critical patent/WO2014183861A1/en

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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

Definitions

  • the invention relates to a SERS substrate comprising a support of a support material having a surface and a substrate of a substrate material having a dielectric function 8M disposed on the surface of the support and having a structure.
  • SERS substrates have long been known in the art.
  • Raman spectroscopy has become more and more established in recent years. In this case, the interaction of monochromatic radiation, in particular laser radiation, with molecular oscillations is utilized. This leads to characteristic, molecule-specific bands in the scattered light spectrum, which represent a fingerprint of the respective molecule. In this way, Raman spectroscopy allows direct species-selective detection and thus provides a high information content about the respective molecular structure.
  • the detection of a small number of molecules poses a great challenge since the Raman scattering process is naturally very faint. In the field of bioanalytics or forensic analysis, however, only very small amounts of a substance are often available for detection.
  • SERS surface enhanced Raman effect
  • the SERS substrate comprises a support of a silicon material, which is vapor-deposited with a thin layer of gold.
  • Raman spectroscopy can only be carried out in reflection with such a SERS substrate. This means that the excitation beam, which is used to excite the molecules to be detected, is passed through the air or an optically transparent solvent and then hits directly on the substance to be determined, which has accumulated on the surface of the SERS substrate.
  • Raman spectroscopy can also be carried out with an indirect beam guidance. This means that the excitation beam is passed through the carrier material and then impinges on the substance to be determined, which is adsorbed on the surface of the SERS substrate.
  • an optical fiber is known, at the end of which an SERS substrate is arranged.
  • the fiber-optic cable has a flat end surface onto which nanoscale field concentrators are initially applied, which are in the form of elevations or depressions. Only on these field concentrators, the actual substrate, such as a gold layer applied. As a result, the available surface is significantly increased.
  • the molecules to be determined are deposited on this gold surface and can be identified by means of an SERS measurement. Although this increases the detection sensitivity, such a SERS substrate can only be produced with great difficulty because of the nanoscale field concentrators.
  • US Pat. No. 7,684,035 B2 discloses an SERS substrate in which a multiplicity of nanoparticles which consist of a metal and form the substrate are arranged on the carrier. These nanoparticles are at least partially embedded in a thin absorbent layer.
  • the disadvantage is that also in this method, a high manufacturing complexity required, since different materials on the order of a few nanometers must be arranged on the surface of the carrier.
  • the layer thickness, in particular of the absorbing layer has a strong influence on the Raman intensity, so that small deviations in the layer thickness can lead to strong effects.
  • a multiplicity of nanopillars are extracted from a carrier material, for example silicon dioxide, applied, which have a height of, for example, 50 nm.
  • a cover of a noble metal, for example silver is applied, which has a thickness of a further 30 nm. This also results in an increased manufacturing expense, so that the production costs and the production time are increased.
  • the invention is therefore based on the object to present a SERS substrate that allows the best possible amplification of the Raman signal and yet easy, fast and inexpensive to produce.
  • the invention achieves the stated object by means of an SERS substrate according to the preamble of claim 1, which is characterized in that the carrier material and the substrate material are selected such that a value X is at least 6, wherein X is calculated as follows:
  • the invention is based on the finding that the gain of the SERS signal depends not only on the available surface and / or the geometric shape of the substrate and the underlying carrier, but in particular on the choice of materials used, ie in particular the carrier material and the substrate material.
  • the invention is based on the finding that the amplification of the SERS signal can be further increased by indirect excitation, in which the excitation laser beam is thus conducted through the carrier material.
  • the actual amplification of the Raman signal depends on a variety of factors.
  • these also include, for example, the geometric design and shaping of the substrate material on the surface of the carrier.
  • the exact geometric structure of the substrate on the surface structure predetermined by the surface of the carrier would have to be determined and included in the calculation. This is associated with an immense amount of computation and with virtually unresolved difficulties and also, as the inventors have shown, unnecessary.
  • the gain can be calculated with a simple model, the result obtained, despite the in-depth approximations and assumptions, yielding good results.
  • the dielectric function of air e Lu ft is set to the value 1.
  • the Stokes shift ⁇ 5 is fixed at 1000 cm -1 in the calculation of the value X.
  • the wavelength-dependent values of the bulk material are used at wavelengths between 260 nm and 900 nm Drude model described as:
  • ⁇ denotes the excitation frequency, which for the present model is assumed to be between 7.24 ⁇ 10 15 radians per second and 2.09 ⁇ 10 15 rads per second, which corresponds to wavelengths between 260 nm and 900 nm.
  • ⁇ ⁇ designate the plasma frequency, the wheel for silver at 1, 35 x 10 16 per second, and for gold at 1, 4 x 10 16 rad is per second.
  • ⁇ 0 denotes a damping factor for silver at 7.62 x 10 13 rads per second and for gold at 3.78 x 10 13 rads per second. This damping factor takes into account that the substrate is a thin structured layer. It is calculated by the formula ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (bulk) + -,
  • v F denotes the Fermi velocity and r the radius of the particle.
  • v F denotes the Fermi velocity
  • r the radius of the particle.
  • ⁇ - is the high frequency dielectric constant limit, which is 2.48 for silver and 7.0 for gold.
  • the substrate material is not applied in the form of a bulk material, but lies as a nano- or microstructured thin layer in front. That this layer can be described by the dielectric function of the bulk material according to the Drude model is surprising.
  • the dielectric function of the support material is substantially constant for the wavelength range of 260 nm to 900 nm for the respective materials used, and therefore can be set to a fixed value equal to the value of the dielectric function at a wavelength of 600 nm corresponds.
  • the factor X is formed from the ratio of the signal amplification achieved by the surface-enhanced Raman spectroscopy with direct beam guidance (first factor) and with indirect beam guidance (second factor).
  • first factor the excitation beam
  • second factor indirect beam guidance
  • the excitation beam which may be, for example, emitted laser radiation
  • the excitation beam which may be, for example, emitted laser radiation
  • the excitation beam which may be, for example, emitted laser radiation
  • the Raman scattered radiation is also detected via this path. Therefore, the first factor of the value X depends only on the dielectric function of the substrate material and the dielectric function of the air.
  • the use of a medium other than air is conceivable. For example, it is known to carry out SERS measurements even with direct beam guidance through water.
  • the first factor is understood to be the first expression of the parenthesis
  • the term "second factor” refers to the second expression of the parenthesis.
  • Indirect beam guidance means that the excitation beam is passed through the carrier material of the carrier and then impinges on the material to be determined which is adsorbed on the substrate material.
  • the Raman scattered radiation is also conducted through this path, that is, through the carrier material of the carrier, and then detected. Therefore, the second factor of the value X depends only on the dielectric function of the substrate material and the dielectric function of the substrate.
  • the dielectric function of the substrate material which in particular is wavelength-dependent, is determined at the wavelength of the excitation frequency.
  • This respective first factor in the first and the second parenthesis expression thus takes account of the incident excitation radiation which is irradiated at the excitation wavelength or the excitation frequency.
  • the second factor in each case contains the dielectric function of the substrate material, which is determined at a frequency which corresponds to the Stokes shift of the Raman spectroscopy.
  • the Raman scattered radiation emitted by the Raman scattering on the material to be detected is shifted from the excitation radiation by a characteristic energy for the material and thus a corresponding wavelength. If the scattered radiation has a lower energy than the irradiated radiation, one speaks of Stokes radiation or Stokes bands in the Raman spectrum, while one speaks of anti-Stokes radiation or anti-Stokes bands in the Raman spectrum if the scattered radiation has a higher energy than the irradiated radiation.
  • the Stokes shift named here is intended to cover both effects.
  • the Raman spectrum which is recorded in surface-enhanced Raman spectroscopy, has peaks characteristic of the material. These occur at the respective Stokesverschiebache or Antistokesverschiebache and are mostly known for the material to be detected.
  • An SERS substrate can be conventionally selected and manufactured for a very specific application.
  • the material to be detected or the substance to be detected is known, so that the position of the individual Stokes shifts ⁇ 5 is known.
  • co s is set to 1000 cm -1 as a further approximation
  • the only variable that remains variable in the calculation method for X is the excitation frequency (JE), which is now varied until the first factor In this way, the excitation frequencies u) E, d are determined for the first factor of X and GOEJ for the second factor of X.
  • These excitation frequencies at which the first factor or the The second factors of X are usually different and correspond to the excitation frequencies at which the desired peak of the selected Stokes shift is best seen, because in this case the SERS signal amplification is greatest.
  • the size X is now obtained by simply dividing the first factor and the second factor of X, so that a dimensionless quantity X is obtained.
  • the carrier material and the substrate material are selected such that X is greater than 7, preferably greater than 8, particularly preferably greater than 9. It has turned out to be particularly advantageous if the value X is greater than 10, preferably greater than 50, especially preferably greater than 00.
  • the variation of the respective excitation frequency for the direct and the indirect beam guidance results in the maximum times possible amplification of the Raman signal by the surface-enhanced Raman spectroscopy calculated. Subsequently, these two quantities, which may be at different excitation frequencies ⁇ , and WEJ, are divided in order to obtain the value X. Consequently, the maximum possible amplification of the SERS signal is determined for a given Stokes shift of 1000 cm -1 .
  • the substrate material is gold, silver, copper, aluminum, platinum, sodium, indium, zinc, cadmium, gallium or a combination of several of these elements.
  • These materials are characterized by a complex refractive index. Obviously, the ratio of the real part to the imaginary part of the complex-valued refractive index is of great importance for the magnitude of the amplification of the SERS signal.
  • the substrate material has a nanostructure or a microstructure.
  • This can be achieved in many different ways.
  • the structures achieved can range from a few nanometers to a few micrometers in diameter and have characteristic length scales.
  • coatings can also be applied do not form a complete layer, but form so-called island films on the surface of the substrate.
  • correspondingly structured surfaces can be achieved.
  • the support material is a sapphire, diamond, flint glass, lead glass, polycarbonate, polystyrene or a combination of these materials.
  • the refractive index of the respective material is as high as possible.
  • Polycarbonate and polystyrene have the highest refractive index among the transparent polymers at about 1.6.
  • the following values result for the different substrate materials:
  • the refractive indices used were determined in the range at 500 nm (tantalum pentoxide) and 587.6 nm and 589.3 nm, respectively.
  • the carrier material is arranged in the form of a layer on a base material, in particular on a quartz glass.
  • the thickness of this layer can be between a few nanometers and a few monolayers on one side and a few micrometers on the other side.
  • the contact area between the substrate material and the carrier material is obviously important, whereas the thickness of the layer of the carrier material has only a minor influence.
  • even expensive can be used materials of carrier material since only a relatively thin layer of these materials must be used.
  • the support material is preferably SiO x , Ta 2 Os, TiO 2 , HfO 2 , Nb 2 O 5 , MgO, ZrO 2 , Al 2 O 3) Ga 2 O 3 or a combination of several of these materials.
  • the value X with gold as the substrate material in this case X 6.7
  • the substrate directly on an end surface of the optical conductor, in particular of the glass fiber cable.
  • This is particularly advantageous in medical technology, in which, for example, the examination of soft material, such as organs, is necessary. Often it is not possible or at least not intended to take a sample of the material to be examined, for example a human organ.
  • an organ When the SERS substrate is placed on the end of a fiber optic cable, for example, an organ may be penetrated as though with a needle and analyzed simultaneously. This gives spatially resolved information about the composition of the organ, which can be used in particular in medical diagnostics, for example to distinguish benign from malignant tumors.
  • the carrier is part of a wall of a reaction container or of a microfluid system.
  • a medium for example a liquid, in which, for example, the concentration or even the presence of certain substances is to be detected.
  • excitation radiation can be conducted, for example, via an optical conductor directly to the inner wall of the reactor forming the surface of the carrier. In this way, an in situ diagnosis and monitoring of the concentration of the material to be detected or the substance to be detected in the reactor vessel is possible.
  • the invention also achieves the stated object by means of a set for carrying out an SERS measurement with an SERS substrate described here and a laser for emitting laser radiation, which is used in particular as excitation radiation, and which has a wavelength ⁇ which corresponds to one to ⁇ , corresponding wavelength ⁇ E , i ⁇ 50 nm, preferably ⁇ 20 nm, particularly preferably ⁇ 10 nm corresponds.
  • the excitation frequency COEJ was found to be the optimum excitation frequency in order to detect the desired scattered radiation shifted in frequency by the Stokes shift. It is therefore optimal if the laser radiation that can be emitted by the laser as exactly as possible one of these frequency ⁇ , ⁇ corresponding wavelength ⁇ E, i has.
  • the invention also solves the problem set by a method for Performing a SERS measurement using an SERS substrate described herein and passing an excitation laser beam through the substrate and the substrate and then striking a material to be detected.
  • the Raman scattered radiation is also passed through the carrier and subsequently detected.
  • FIG. 1 shows the schematic sectional illustration through a SERS
  • FIG. 3 shows the result of an indirect and a direct SERS measurement on a SERS substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a sectional view through an SERS substrate 1, which has a carrier 2 with a surface 4.
  • the carrier 2 consists of a carrier material.
  • On the surface 4 is a substrate 6 made of a substrate material.
  • This substrate 6 has a micro or nanostructure, which is not shown in FIG.
  • An analyte 8 is deposited on the side of the substrate 6 facing away from the carrier 2, which is to be detected by an SERS measurement.
  • the substrate 6 is a plasmonic material, which may consist of the already named materials.
  • a direct irradiation is shown.
  • Laser radiation of the excitation frequency is sent to the analyte 8 by the air or another medium used, for example water, and stimulates it.
  • the analyte 8 then emits frequency-shifted electromagnetic radiation, which is detected in the opposite way, ie in FIG. 1, upwards. Electromagnetic radiation entering the carrier 2 is consequently not used.
  • a carrier material is used, which in the used wavelengths of electromagnetic radiation is intransparent.
  • a second arrow 12 indicates the indirect direction of irradiation.
  • the excitation radiation is sent by the carrier 2 and the substrate 6 to the analyte 8 and stimulates it.
  • the electromagnetic radiation emitted by the analyte 8 is conducted through the carrier material of the carrier 2 in the opposite way, that is to say downwards in FIG. 1, and subsequently detected.
  • this can lead to a significant amplification of the SERS signal and thus to a significant increase in the sensitivity of the measurement.
  • Figure 2 shows the result of a SERS measurement using a SERS substrate commercially available under the name "Klarite.”
  • the analyte thiophenol was used and the SERS measurement was performed directly, and thus the excitation laser light was transmitted through the air and not through The Raman scattering radiation was also passed through the air and not through the substrate and the carrier before it was detected,
  • the cell rate and hence the Raman intensity is above the Raman.
  • the measuring time is five seconds and the SERS substrate "Klarite" has a gold surface.
  • the number and position of the peaks shown in Figure 2 is not of overriding interest. It is only interesting that the maximum peak height is at an intensity of about 2,800. Although the intensity is given in arbitrary units, this corresponds to the count rate of the detector.
  • FIG. 3 shows comparable measurements on a SERS substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the SERS Substrate has a support of SiOx.
  • the support is 530 nm thick and, for the embodiment shown, applied to a base material using fused silica. Subsequently, a substrate of gold was deposited on the support, which was then treated with a single laser pulse with a fluence of 110mJ / cm 2 .
  • the SERS substrate was placed in a thiophenol solution for 24 hours, as was done with the "Klarite" -SERS substrate, the result of which is shown in Figure 2. Subsequently, the SERS substrate was cleaned with ethanol This monolayer of thiophenol formed on the substrate surface of the SERS substrate was measured using a Kaiser Optical System Raman system. In this case, a laser with a laser wavelength of 785 nm at a power of 58 mW was used.
  • FIG. 3 shows the result of this SERS measurement.
  • the result of a direct irradiation is shown in the form of a solid line. This means that the laser excitation light passes through the air to the analyte thiophenol.
  • dashed lines the result of an indirect SERS measurement is shown, in which the
  • Laser excitation light is passed through the carrier material of the carrier and the substrate material of the substrate to the analyte.
  • the back scattered Raman scattered radiation is also passed through the substrate material of the substrate and the carrier material of the carrier before it can be detected.
  • the laser has been adjusted in the embodiment shown so that the resulting Raman signal is maximal.
  • the intensity is plotted in arbitrary units over the Raman shift.
  • the Raman shift is plotted as in FIG. 2 in units of the wavenumber 1 / cm.
  • the arbitrary intensity units correspond as in FIG Count rate of the detector.
  • the exposure time has been set to 10 seconds.
  • the measurements, the results of which are shown in FIGS. 2 and 3 are comparable since they differ substantially in the exposure time and the SERS substrate used. It can be seen in comparison that the maximum peak height is significantly higher, even in the direct irradiation of the SERS substrate according to an embodiment of the present invention, than is the case with the SERS measurement with a commercially available SERS substrate.
  • the maximum peak height in an indirect measurement which is shown in Figure 3, again shows a significant gain.
  • the material combination or the SERS substrate which was based on the measurement results shown in Figure 3, provides a value X of about 7.3.

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Abstract

The invention relates to a SERS substrate with a support, which is made of a support material and has a surface, and with a substrate, which is made of a substrate material with a dielectric function εM and which is arranged on the surface of the support and has a structure. Said support material and the substrate material are selected such that a value X equals at least 6, where X is the product of two factors which include the dielectric functions of the substrate material or support material being used.

Description

Titel  title
SERS-Substrat Beschreibung  SERS substrate description
Die Erfindung betrifft ein SERS-Substrat mit einem Träger aus einem Trägermaterial, der eine Oberfläche aufweist, und einem Substrat aus einem Substratmaterial mit einer dielektrischen Funktion 8M, das an der Oberfläche des Trägers angeordnet ist und eine Struktur aufweist. The invention relates to a SERS substrate comprising a support of a support material having a surface and a substrate of a substrate material having a dielectric function 8M disposed on the surface of the support and having a structure.
SERS-Substrate sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. Auf dem Gebiet der Analytik hat sich in den letzten Jahren die Raman- Spektroskopie immer weiter etabliert. Dabei wird die Wechselwirkung monochromatischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, mit Moleküleigenschwingungen ausgenutzt. Dies führt zu charakteristischen, molekülspezifischen Banden im Streulichtspektrum, die einen Fingerabdruck des jeweiligen Moleküls darstellen. Auf diese Weise erlaubt die Raman- Spektroskopie einen direkten speziesselektiven Nachweis und bietet so einen hohen Informationsgehalt über die jeweilige Molekülstruktur. Die Detektion einer geringen Anzahl von Molekülen stellt allerdings eine große Herausforderung dar, da der Raman-Streuprozess naturgemäß sehr lichtschwach ist. Insbesondere im Bereich der Bioanalytik oder der forensischen Analytik stehen jedoch oft nur sehr geringe Mengen einer Substanz für die Detektion zur Verfügung. SERS substrates have long been known in the art. In the field of analytics, Raman spectroscopy has become more and more established in recent years. In this case, the interaction of monochromatic radiation, in particular laser radiation, with molecular oscillations is utilized. This leads to characteristic, molecule-specific bands in the scattered light spectrum, which represent a fingerprint of the respective molecule. In this way, Raman spectroscopy allows direct species-selective detection and thus provides a high information content about the respective molecular structure. However, the detection of a small number of molecules poses a great challenge since the Raman scattering process is naturally very faint. In the field of bioanalytics or forensic analysis, however, only very small amounts of a substance are often available for detection.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Daher ist man bestrebt, die Empfindlichkeit der Nachweismethode zu erhöhen. Eine Möglichkeit dafür ist die Anwendung des sogenannten oberflächenverstärkten Raman-Effektes (surface enhanced Raman scattering: SERS), bei dem die Moleküle, die nachzuweisen sind, an einer nanostruk- turierten Edelmetalloberfläche adsorbiert werden. Dies führt zu einer drastischen Verstärkung des Raman-Streulichtes. Zwischenzeitlich sind derartige SERS-Substrate für die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie auf dem Markt erhältlich. Das SERS-Substrat umfasst dabei einen Träger aus einem Siliziummaterial, der mit einer dünnen Goldschicht bedampft wird. Dadurch, dass ein intransparentes Trägermaterial verwendet wird, kann mit einem derartigen SERS-Substrat die Raman-Spektroskopie nur in Reflektion durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass der Anregungsstrahl, der zur Anregung der zu detektierenden Moleküle verwendet wird, durch die Luft oder ein optisch transparentes Lösungsmittel geführt wird und dann direkt auf die zu bestimmende Substanz trifft, die sich an der Oberfläche des SERS-Substrates angesammelt hat. CONFIRMATION COPY Therefore, efforts are being made to increase the sensitivity of the detection method. One possibility for this is the application of the so-called surface enhanced Raman effect (SERS), in which the molecules to be detected are adsorbed on a nanostructured precious metal surface. This leads to a drastic amplification of the Raman scattered light. Meanwhile, such SERS substrates for surface enhanced Raman spectroscopy are available on the market. The SERS substrate comprises a support of a silicon material, which is vapor-deposited with a thin layer of gold. By using an intransparent carrier material, Raman spectroscopy can only be carried out in reflection with such a SERS substrate. This means that the excitation beam, which is used to excite the molecules to be detected, is passed through the air or an optically transparent solvent and then hits directly on the substance to be determined, which has accumulated on the surface of the SERS substrate.
Wird als Trägermaterial ein bei der Anregungsfrequenz transparentes Material verwendet, kann die Raman-Spektroskopie auch mit einer indirekten Strahlführung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass der Anregungsstrahl durch das Trägermaterial geleitet wird und anschließend auf die zu bestimmende Substanz trifft, die an der Oberfläche des SERS-Substrates adsorbiert ist. If a material which is transparent at the excitation frequency is used as the carrier material, Raman spectroscopy can also be carried out with an indirect beam guidance. This means that the excitation beam is passed through the carrier material and then impinges on the substance to be determined, which is adsorbed on the surface of the SERS substrate.
Aus der DE 10 2008 048 342 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen SERS-Substrates bekannt. Dabei wird eine zunächst aufgebrachte Edelmetallschicht, die auf die Oberfläche des Trägermaterials aufgedampft wurde, gepulster Laserstrahlung ausgesetzt, so dass na- noskalige Partikel entstehen, die für eine hohe SERS-Verstärkung verantwortlich sind. From DE 10 2008 048 342 A1 a method for producing such a SERS substrate is known. In this case, an initially applied noble metal layer that has been vapor-deposited onto the surface of the carrier material is exposed to pulsed laser radiation, so that nanoscale particles are formed which are responsible for a high SERS gain.
Je geringer die zu detektierende Menge einer Substanz, des sogenannten Analyten, ist, desto größer muss die Verstärkung des Raman-Streulichtes sein. Daher sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Ansätze bekannt, die Empfindlichkeit der oberflächenverstärkten Raman- Spektroskopie weiter zu steigern. The lower the amount of a substance to be detected, the so-called Analyte, the greater must be the gain of the Raman scattered light. Therefore, different approaches are known from the prior art to further increase the sensitivity of surface-enhanced Raman spectroscopy.
Aus der WO 2012/015443 A1 beispielsweise ist eine optische Faser bekannt, an deren Ende ein SERS-Substrat angeordnet wird. Das Glasfaserkabel verfügt über eine ebene Endoberfläche, auf die zunächst nanoskali- ge Feldkonzentratoren aufgebracht werden, die in Form von Erhebungen oder Vertiefungen vorliegen. Erst auf diese Feldkonzentratoren wird das eigentliche Substrat, beispielsweise eine Goldschicht, aufgebracht. Dadurch wird die zur Verfügung stehende Oberfläche deutlich vergrößert. An dieser Goldoberfläche lagern sich die zu bestimmenden Moleküle an und können über eine SERS-Messung identifiziert werden Dadurch wird zwar die Nachweisempfindlichkeit erhöht, ein derartiges SERS-Substrat ist jedoch aufgrund der nanoskaligen Feldkonzentratoren nur sehr aufwändig herstellbar. From WO 2012/015443 A1, for example, an optical fiber is known, at the end of which an SERS substrate is arranged. The fiber-optic cable has a flat end surface onto which nanoscale field concentrators are initially applied, which are in the form of elevations or depressions. Only on these field concentrators, the actual substrate, such as a gold layer applied. As a result, the available surface is significantly increased. The molecules to be determined are deposited on this gold surface and can be identified by means of an SERS measurement. Although this increases the detection sensitivity, such a SERS substrate can only be produced with great difficulty because of the nanoscale field concentrators.
Aus der US 7,684,035 B2 hingegen ist ein SERS-Substrat bekannt, bei dem auf dem Träger eine Vielzahl von Nanopartikeln angeordnet wird, die aus einem Metall bestehen und das Substrat bilden. Diese Nanöpartikel werden in einer dünnen absorbierenden Schicht zumindest teilweise eingebettet. Nachteilig ist jedoch, dass auch bei diesem Verfahren ein hoher fertigungstechnischer Aufwand erforderlich, da unterschiedliche Materialien in der Größenordnung weniger Nanometer auf der Oberfläche des Trägers angeordnet werden müssen. Dabei hat die Schichtdicke insbesondere der absorbierenden Schicht starken Einfluss auf die Raman- Intensität, so dass kleine Abweichungen in der Schichtdicke zu starken Effekten führen können. By contrast, US Pat. No. 7,684,035 B2 discloses an SERS substrate in which a multiplicity of nanoparticles which consist of a metal and form the substrate are arranged on the carrier. These nanoparticles are at least partially embedded in a thin absorbent layer. The disadvantage, however, is that also in this method, a high manufacturing complexity required, since different materials on the order of a few nanometers must be arranged on the surface of the carrier. The layer thickness, in particular of the absorbing layer, has a strong influence on the Raman intensity, so that small deviations in the layer thickness can lead to strong effects.
Ähnliches ist aus der US 2010/0085566 A1 bekannt. Hier werden auf de Oberseite des Trägers eine Vielzahl von Nanosäulen aus einem Träger- material, beispielsweise Siliziumdioxid, aufgebracht, die eine Höhe von beispielsweise 50 nm aufweisen. Auf die Oberseite dieser Säule wird eine Abdeckung aus einem Edelmetall, beispielsweise Silber, aufgebracht, die eine Dicke von weiteren 30 nm aufweist. Auch dies hat einen erhöhten fertigungstechnischen Aufwand zur Folge, so dass auch die Produktionskosten und die Herstellungsdauer erhöht sind. The same is known from US 2010/0085566 A1. Here, on the top side of the carrier, a multiplicity of nanopillars are extracted from a carrier material, for example silicon dioxide, applied, which have a height of, for example, 50 nm. On top of this column a cover of a noble metal, for example silver, is applied, which has a thickness of a further 30 nm. This also results in an increased manufacturing expense, so that the production costs and the production time are increased.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein SERS-Substrat vorzustellen, das eine möglichst gute Verstärkung des Raman-Signals erlaubt und dennoch einfach, schnell und kostengünstig herstellbar ist. The invention is therefore based on the object to present a SERS substrate that allows the best possible amplification of the Raman signal and yet easy, fast and inexpensive to produce.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein SERS-Substrat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , das sich dadurch auszeichnet, dass das Trägermaterial und das Substratmaterial derart gewählt sind, dass ein Wert X wenigstens 6 beträgt, wobei X wie folgt berechnet wird: The invention achieves the stated object by means of an SERS substrate according to the preamble of claim 1, which is characterized in that the carrier material and the substrate material are selected such that a value X is at least 6, wherein X is calculated as follows:
Figure imgf000006_0001
Figure imgf000006_0001
wobei die einzelnen Größen folgendes darstellen: ω5 : Stokesverschiebung = 1000 cm where the individual quantities represent: ω 5 : Stokes shift = 1000 cm
u>E,d : Anregungsfrequenz, bei der der erste Faktor von X maximal wird, (A)E,I : Anregungsfrequenz, bei der der zweite Faktor von X maximal wird und u> E, d: excitation frequency at which the first factor of X becomes maximal, (A) E, I: excitation frequency at which the second factor of X becomes maximal and
Cum : dielektrische Funktion von Luft = 1 ,  Cum: dielectric function of air = 1,
eD : dielektrische Funktion des Trägermaterials bei einer Wellenlänge = 600 nm. e D: dielectric function of the carrier material at a wavelength = 600 nm.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verstärkung des SERS-Signals nicht nur von der zur Verfügung stehenden Oberfläche und/oder der geometrischen Form des Substrates und des darunter liegenden Trägers abhängt, sondern insbesondere von der Wahl der verwendeten Materialien, also insbesondere dem Trägermaterial und dem Substratmaterial. Zudem liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine indirekte Anregung, bei der also der Anregungslaserstrahl durch das Trägermaterial geleitet wird, die Verstärkung des SERS-Signals weiter gesteigert werden kann. Durch die Einführung der Größe X ist es nun möglich, im Wesentlichen aus den dielektrischen Funktionen der beteiligten Materialien zu bestimmen, welche Materialkombination aus Trägermaterial und Substratmaterial besonders geeignet ist, um ein SERS- Substrat herzustellen. The invention is based on the finding that the gain of the SERS signal depends not only on the available surface and / or the geometric shape of the substrate and the underlying carrier, but in particular on the choice of materials used, ie in particular the carrier material and the substrate material. In addition, the invention is based on the finding that the amplification of the SERS signal can be further increased by indirect excitation, in which the excitation laser beam is thus conducted through the carrier material. Through the introduction of the size X, it is now possible to determine, essentially from the dielectric functions of the materials involved, which material combination of carrier material and substrate material is particularly suitable for producing an SERS substrate.
Die tatsächliche Verstärkung des Raman-Signals hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Diese beinhalten insbesondere neben den dielektrischen Funktionen der verwendeten Materialien auch beispielsweise die geometrische Ausgestaltung und Formgebung des Substratmaterials auf der Oberfläche des Trägers. Um diese Verstärkung exakt berechnen zu können, müsste folglich die exakte geometrische Struktur des Substrates auf der durch die Oberfläche des Trägers vorgegebenen Oberflächenstruktur bestimmt und in die Rechnung einbezogen werden. Dies ist mit einem immensen Rechenaufwand und mit praktisch nicht zu überwindenden Schwierigkeiten verbunden und zudem, wie die Erfinder gezeigt haben, nicht nötig. Überraschenderweise lässt sich die Verstärkung mit einem einfachen Modell berechnen, wobei das so erzielte Ergebnis trotz der eingehenden Näherungen und Annahmen gute Ergebnisse liefert. The actual amplification of the Raman signal depends on a variety of factors. In addition to the dielectric functions of the materials used, these also include, for example, the geometric design and shaping of the substrate material on the surface of the carrier. In order to be able to calculate this reinforcement exactly, the exact geometric structure of the substrate on the surface structure predetermined by the surface of the carrier would have to be determined and included in the calculation. This is associated with an immense amount of computation and with virtually unresolved difficulties and also, as the inventors have shown, unnecessary. Surprisingly, the gain can be calculated with a simple model, the result obtained, despite the in-depth approximations and assumptions, yielding good results.
Der Faktor X und seine Berechnung gehen auf dieses Modell zurück. Bei der Berechnung werden verschiedene Größen als konstant angenommen, von denen bekannt ist, dass sie tatsächlich nicht konstant sind. So wird die dielektrische Funktion von Luft eLuft auf den Wert 1 gesetzt. Für die die¬ lektrische Funktion des Trägermaterials ε0 wird der Wert verwendet, den die dielektrische Funktion bei einer Wellenlänge von λ = 600 nm aufweist. Die Stokesverschiebung ω5 wird bei der Berechnung des Wertes X als fest auf 1000 cm"1 festgelegt. Für die dielektrische Funktion des Substrates εΜ werden die wellenlängenabhängigen Werte des Bulk-Materials bei Wellenlängen zwischen 260 nm und 900 nm verwendet. Diese wird nach dem Drude-Modell beschrieben als:
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The factor X and its calculation are based on this model. In the calculation, different quantities are assumed to be constant, which are known to be in fact not constant. Thus, the dielectric function of air e Lu ft is set to the value 1. For the ¬ lectric function of the carrier material ε 0 , the value is used, the has the dielectric function at a wavelength of λ = 600 nm. The Stokes shift ω 5 is fixed at 1000 cm -1 in the calculation of the value X. For the dielectric function of the substrate ε Μ , the wavelength-dependent values of the bulk material are used at wavelengths between 260 nm and 900 nm Drude model described as:
Figure imgf000008_0001
Dabei bezeichnet ω die Anregungsfrequenz, die für das vorliegenden Modell zwischen 7,24 x 1015 rad pro Sekunde und 2,09 x 1015 rad pro Sekunde angenommen wird, was Wellenlängen zwischen 260 nm und 900 nm entspricht. ωΡ benennt die Plasmafrequenz, die für Silber bei 1 ,35 x 1016 rad pro Sekunde und für Gold bei 1 ,4 x 1016 rad pro Sekunde liegt. ω0 bezeichnet einen Dämpfungsfaktor, der für Silber bei 7,62 x 1013 rad pro Sekunde und für Gold bei 3,78 x 1013 rad pro Sekunde liegt. Dieser Dämpfungsfaktor berücksichtigt dabei, dass es sich bei dem Substrat um eine dünne strukturierte Schicht handelt. Er berechnet sich durch die Formel ωη ~ ωο (bulk) +— , In this case, ω denotes the excitation frequency, which for the present model is assumed to be between 7.24 × 10 15 radians per second and 2.09 × 10 15 rads per second, which corresponds to wavelengths between 260 nm and 900 nm. ω Ρ designate the plasma frequency, the wheel for silver at 1, 35 x 10 16 per second, and for gold at 1, 4 x 10 16 rad is per second. ω 0 denotes a damping factor for silver at 7.62 x 10 13 rads per second and for gold at 3.78 x 10 13 rads per second. This damping factor takes into account that the substrate is a thin structured layer. It is calculated by the formula ωη ~ ω ο (bulk) + -,
2r  2r
in der vF die Fermi-Geschwindigkeit und r den Radius des Partikels bezeichnet. Für die Fermi-Geschwindigkeit wird der Wert 1 ,4*106 Meter pro Sekunde und für den Partikelradius der Wert 30 nm angesetzt. ε- ist der Grenzwert der dielektrischen Konstante bei hoher Frequenz, der für Silber bei 2,48 und für Gold bei 7,0 liegt. in which v F denotes the Fermi velocity and r the radius of the particle. For the Fermi speed the value is 1, 4 * 10 6 meters per second and for the particle radius the value 30 nm is used. ε- is the high frequency dielectric constant limit, which is 2.48 for silver and 7.0 for gold.
Viele der getroffenen Voraussetzungen und Annahmen sind für die zu beschreibende Situation eines SERS-Substrates unzutreffend. So wird beispielsweise das Substratmaterial nicht in Form eines Bulk-Materials aufgebracht, sondern liegt als nano- oder mikrostrukturierte dünne Schicht vor. Dass diese Schicht durch die dielektrische Funktion des Bulk- Materials nach dem Drude-Modell beschrieben werden kann, ist überraschend. Zudem wird angenommen, die dielektrische Funktion des Trägermaterials sei für den hier relevanten Bereich zwischen Wellenlängen von 260 nm und 900 nm für die entsprechenden verwendeten Materialien weitgehend konstant und kann deshalb auf einen festen Wert festgelegt werden, der dem Wert der dielektrischen Funktion bei einer Wellenlänge von 600 nm entspricht. Many of the assumptions and assumptions made are inaccurate for the situation to be described of a SERS substrate. Thus, for example, the substrate material is not applied in the form of a bulk material, but lies as a nano- or microstructured thin layer in front. That this layer can be described by the dielectric function of the bulk material according to the Drude model is surprising. In addition, it is believed that the dielectric function of the support material is substantially constant for the wavelength range of 260 nm to 900 nm for the respective materials used, and therefore can be set to a fixed value equal to the value of the dielectric function at a wavelength of 600 nm corresponds.
Überraschenderweise lässt sich die tatsächliche Situation in einem SERS- Substrat offenbar durch dieses vereinfachte Modell beschreiben, weswegen der im Anspruch 1 benannte Faktor X trotz der eingehenden Näherungen bei seiner Berechnung ein gutes und verlässliches Maß für die Auswahl der unterschiedlichen Materialien bietet. Surprisingly, the actual situation in a SERS substrate can apparently be described by this simplified model, which is why the factor X named in claim 1 offers a good and reliable measure for the selection of the different materials, despite the detailed approximations in its calculation.
Der Faktor X wird gebildet aus dem Verhältnis der durch die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie erreichten Signalverstärkung bei direkter Strahlführung (erster Faktor) und bei indirekter Strahlführung (zweiter Faktor). Unter direkter Strahlführung wird dabei verstanden, dass der Anregungsstrahl, der beispielsweise ausgesandte Laserstrahlung sein kann, durch die Luft auf das an dem Substrat adsorbierte zu detektierende Material geleitet wird. Auch die Raman-Streustrahlung wird über diesen Weg detektiert. Daher hängt der erste Faktor des Wertes X lediglich von der dielektrischen Funktion des Substratmaterial und der dielektrischen Funktion der Luft ab. Hierin liegt eine weitere Näherung des Modells. Natürlich ist auch bei direkter Strahlführung die Verwendung eines anderen Mediums als Luft denkbar. So ist es beispielsweise bekannt, SERS-Messungen auch bei direkter Strahlführung durch Wasser durchzuführen. Für die Bestimmung des Wertes X aus dem skizzierten Modell wird jedoch lediglich der Vergleich mit Luft verwendet. Als erster Faktor wird vorliegend der erste Klammerausdruck verstanden, während durch„zweiter Faktor" der zweite Klammerausdruck bezeichnet wird. Unter indirekter Strahlführung wird verstanden, dass der Anregungsstrahl durch das Trägermaterial des Trägers geleitet wird und anschließend auf das an dem Substratmaterial adsorbierte zu bestimmende Material trifft. Auch die Raman-Streustrahlung wird über diesen Weg, also durch das Trägermaterial des Trägers hindurch, geleitet und anschließend detektiert. Daher hängt der zweite Faktor des Wertes X lediglich von der dielektrischen Funktion des Substratmaterials und der dielektrischen Funktion des Trägermaterials ab. The factor X is formed from the ratio of the signal amplification achieved by the surface-enhanced Raman spectroscopy with direct beam guidance (first factor) and with indirect beam guidance (second factor). Under direct beam guidance is understood that the excitation beam, which may be, for example, emitted laser radiation is passed through the air to the material adsorbed to the substrate to be detected. The Raman scattered radiation is also detected via this path. Therefore, the first factor of the value X depends only on the dielectric function of the substrate material and the dielectric function of the air. Herein lies another approximation of the model. Of course, even with direct beam guidance, the use of a medium other than air is conceivable. For example, it is known to carry out SERS measurements even with direct beam guidance through water. For the determination of the value X from the sketched model, however, only the comparison with air is used. In the present case, the first factor is understood to be the first expression of the parenthesis, while the term "second factor" refers to the second expression of the parenthesis. Indirect beam guidance means that the excitation beam is passed through the carrier material of the carrier and then impinges on the material to be determined which is adsorbed on the substrate material. The Raman scattered radiation is also conducted through this path, that is, through the carrier material of the carrier, and then detected. Therefore, the second factor of the value X depends only on the dielectric function of the substrate material and the dielectric function of the substrate.
Im jeweils ersten Faktor in den beiden Klammerausdrücken wird die dielektrische Funktion des Substratmaterials, die insbesondere wellenlängenabhängig ist, bei der Wellenlänge der Anregungsfrequenz bestimmt. Dieser jeweils erste Faktor in dem ersten und dem zweiten Klammerausdruck trägt somit der eingestrahlten Anregungsstrahlung, die bei der Anregungswellenlänge beziehungsweise der Anregungsfrequenz eingestrahlt wird, Rechnung. Der jeweils zweite Faktor enthält die dielektrische Funktion des Substratmaterials, die bei einer Frequenz bestimmt wird, die der Stokesverschiebung der Raman-Spektroskopie entspricht. In the respective first factor in the two bracketed expressions, the dielectric function of the substrate material, which in particular is wavelength-dependent, is determined at the wavelength of the excitation frequency. This respective first factor in the first and the second parenthesis expression thus takes account of the incident excitation radiation which is irradiated at the excitation wavelength or the excitation frequency. The second factor in each case contains the dielectric function of the substrate material, which is determined at a frequency which corresponds to the Stokes shift of the Raman spectroscopy.
Die durch die Raman-Streuung an dem zu detektierenden Material ausgesandte Raman-Streustrahlung ist gegenüber der Anregungsstrahlung um eine für das Material charakteristische Energie und damit eine entsprechende Wellenlänge verschoben. Weist die gestreute Strahlung eine geringere Energie auf als die eingestrahlte Strahlung, spricht man von Sto- kes-Strahlung oder von Stokes-Banden im Raman-Spektrum, während man von Anti-Stokes-Strahlung oder Anti-Stokes-Banden im Raman- Spektrum spricht, wenn die Streustrahlung eine höhere Energie als die eingestrahlte Strahlung aufweist. Durch die hier benannte Stokesverschiebung sollen beide Effekte abgedeckt sein. Das Raman-Spektrum, das bei der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie aufgenommen wird, verfügt über für das Material charakteristische Peaks. Diese treten bei den jeweiligen Stokesverschiebungen bzw. Antistokesverschiebungen auf und sind für das zu detektierende Material zumeist bekannt. The Raman scattered radiation emitted by the Raman scattering on the material to be detected is shifted from the excitation radiation by a characteristic energy for the material and thus a corresponding wavelength. If the scattered radiation has a lower energy than the irradiated radiation, one speaks of Stokes radiation or Stokes bands in the Raman spectrum, while one speaks of anti-Stokes radiation or anti-Stokes bands in the Raman spectrum if the scattered radiation has a higher energy than the irradiated radiation. The Stokes shift named here is intended to cover both effects. The Raman spectrum, which is recorded in surface-enhanced Raman spectroscopy, has peaks characteristic of the material. These occur at the respective Stokesverschiebungen or Antistokesverschiebungen and are mostly known for the material to be detected.
Ein SERS-Substrat kann herkömmlicherweise für eine sehr spezielle Anwendungsform ausgewählt und hergestellt werden. So ist insbesondere das zu detektierende Material bzw. die zu detektierende Substanz bekannt, so dass auch die Position der einzelnen Stokesverschiebungen ω5 bekannt ist. Für die Berechnung des Wertes X wird jedoch als weitere Näherung cos auf 1000 cm"1 festgelegt. Die einzige Variable, die in der Berechnungsmethode für X noch veränderlich bleibt, ist die Anregungsfrequenz (JÜE, die nun solange variiert wird, bis der erste Faktor von X und der zweite Faktor von X jeweils maximal wird. Auf diese Weise werden die Anregungsfrequenzen u)E,d für den ersten Faktor von X und GOEJ für den zweiten Faktor von X bestimmt. Diese Anregungsfrequenzen, bei denen der erste Faktor bzw. der zweite Faktor von X maximal werden, sind in aller Regel verschieden voneinander. Sie entsprechen den Anregungsfrequenzen, bei denen der gewünschte Peak der ausgewählten Stokesver- schiebung am besten zu erkennen ist, weil in diesem Fall die SERS- Signalverstärkung am größten ist. An SERS substrate can be conventionally selected and manufactured for a very specific application. Thus, in particular, the material to be detected or the substance to be detected is known, so that the position of the individual Stokes shifts ω 5 is known. For the calculation of the value X, however, co s is set to 1000 cm -1 as a further approximation The only variable that remains variable in the calculation method for X is the excitation frequency (JE), which is now varied until the first factor In this way, the excitation frequencies u) E, d are determined for the first factor of X and GOEJ for the second factor of X. These excitation frequencies at which the first factor or the The second factors of X are usually different and correspond to the excitation frequencies at which the desired peak of the selected Stokes shift is best seen, because in this case the SERS signal amplification is greatest.
Die Größe X erhält man nun, indem einfach der erste Faktor und der zweite Faktor von X durcheinander geteilt werden, so dass eine dimensionslose Größe X erhalten wird. The size X is now obtained by simply dividing the first factor and the second factor of X, so that a dimensionless quantity X is obtained.
Vorteilhafterweise sind das Trägermaterial und das Substratmaterial derart gewählt, dass X größer ist als 7, bevorzugt größer als 8, besonders bevorzugt größer ist als 9. Als insbesondere vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Wert X größer ist als 10, vorzugsweise größer als 50, insbesondere vorzugsweise größer ist als 00. Advantageously, the carrier material and the substrate material are selected such that X is greater than 7, preferably greater than 8, particularly preferably greater than 9. It has turned out to be particularly advantageous if the value X is greater than 10, preferably greater than 50, especially preferably greater than 00.
Zur Bestimmung von X wird folglich durch die Variation der jeweiligen Anregungsfrequenz für die direkte und die indirekte Strahlführung die maxi- mal mögliche Verstärkung des Raman-Signals durch die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie errechnet. Anschließend werden diese beiden Größen, die bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen ωε, und WEJ liegen können, durcheinander geteilt, um den Wert X zu erhalten. Damit wird folglich die maximal mögliche Verstärkung des SERS-Signals bei einer gegebenen Stokesverschiebung con 1000 cm"1 ermittelt. Vorteilhafterweise kann für die Bestimmung von coE.d und OOEJ nur ein lokales Maximum der beiden Faktoren bestimmt werden, wobei für die Bestimmung dieses Maximums sowohl im ersten Faktor als auch im zweiten Faktor nur Frequenzen verwendet werden, die einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 900 nm entsprechen. Dadurch wird zum einen der Rechenaufwand reduziert, weil nur noch ein lokales und nicht mehr ein globales Maximum bestimmt werden muss. Zudem werden die möglichen Frequenzen auf den für Anregungsfrequenzen typischen Bereich eingeschränkt, so dass das jeweilige Maximum nur im für den jeweiligen Anwendungsfall sinnvollen Frequenzbereich bestimmt wird. For the determination of X, the variation of the respective excitation frequency for the direct and the indirect beam guidance results in the maximum times possible amplification of the Raman signal by the surface-enhanced Raman spectroscopy calculated. Subsequently, these two quantities, which may be at different excitation frequencies ωε, and WEJ, are divided in order to obtain the value X. Consequently, the maximum possible amplification of the SERS signal is determined for a given Stokes shift of 1000 cm -1 . Advantageously, only a local maximum of the two factors can be determined for the determination of coE.d and OOEJ, both for the determination of this maximum In the first factor as well as in the second factor, only frequencies corresponding to a wavelength between 300 nm and 900 nm are used, which reduces the computational effort because only one local and no longer a global maximum has to be determined possible frequencies are limited to the typical range for excitation frequencies, so that the respective maximum is determined only in the frequency range useful for the particular application.
Vorteilhafterweise ist das Substratmaterial Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Platin, Natrium, Indium, Zink, Kadmium, Gallium oder eine Kombination mehrerer dieser Elemente. Diese Materialien zeichnen sich durch einen komplexwertigen Brechungsindex aus. Offenbar ist dabei das Verhältnis des Realteils zum Imaginärteil des komplexwertigen Brechungsindexes für die Größe der Verstärkung des SERS-Signals von großer Bedeutung. Advantageously, the substrate material is gold, silver, copper, aluminum, platinum, sodium, indium, zinc, cadmium, gallium or a combination of several of these elements. These materials are characterized by a complex refractive index. Obviously, the ratio of the real part to the imaginary part of the complex-valued refractive index is of great importance for the magnitude of the amplification of the SERS signal.
Vorteilhafterweise weist das Substratmaterial eine Nanostruktur oder eine Mikrostruktur auf. Dies kann auf unterschiedlichste Weise erreicht werden. So ist es bekannt, zunächst eine Schicht aus dem jeweiligen Substratmaterial aufzubringen und diese anschließend beispielsweise durch ein Einwirken mit einem Laser, insbesondere einem gepulsten Laser, zu strukturieren. Die erreichten Strukturen können von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern Durchmesser und charakteristische Längenskalen aufweisen. Alternativ können auch Beschichtungen aufgebracht werden, die keine vollständige Schicht bilden, sondern sogenannte Inselfilme auf der Oberfläche des Trägermaterials bilden. Auch hier können entsprechend strukturierte Oberflächen erreicht werden. Vorteilhafterweise ist das Trägermaterial ein Saphir, Diamant, Flintglas, Bleiglas, Polykarbonat, Polystyrol oder eine Kombination dieser Materialien. Vorzugsweise ist der Brechungsindex des jeweiligen Materials möglichst hoch. Polykarbonat und Polystyrol haben mit ca. 1 ,6 den höchsten Brechungsindex unter den transparenten Polymeren. In Kombination mit Gold als Substratmaterial ergeben sich für die unterschiedlichen Trägermaterialien folgende Werte: Advantageously, the substrate material has a nanostructure or a microstructure. This can be achieved in many different ways. Thus, it is known to first apply a layer of the respective substrate material and then to structure it, for example, by acting with a laser, in particular a pulsed laser. The structures achieved can range from a few nanometers to a few micrometers in diameter and have characteristic length scales. Alternatively, coatings can also be applied do not form a complete layer, but form so-called island films on the surface of the substrate. Here too, correspondingly structured surfaces can be achieved. Advantageously, the support material is a sapphire, diamond, flint glass, lead glass, polycarbonate, polystyrene or a combination of these materials. Preferably, the refractive index of the respective material is as high as possible. Polycarbonate and polystyrene have the highest refractive index among the transparent polymers at about 1.6. In combination with gold as a substrate material, the following values result for the different substrate materials:
Figure imgf000013_0001
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Die verwendeten Brechungsindizes wurden im Bereich bei 500 nm (Tantalpentoxid) und 587,6 nm beziehungsweise 589,3 nm bestimmt. The refractive indices used were determined in the range at 500 nm (tantalum pentoxide) and 587.6 nm and 589.3 nm, respectively.
Vorteilhafterweise wird das Trägermaterial in Form einer Schicht auf einem Grundmaterial, insbesondere auf einem Quarzglas, angeordnet. Die Dicke dieser Schicht kann zwischen wenigen Nanometern und einigen Monolagen auf der einen Seite und wenigen Mikrometern auf der anderen Seite betragen. Für die Verstärkung des SERS-Signals ist offenbar der Kontaktbereich zwischen dem Substratmaterial und dem Trägermaterial von Bedeutung, wohingegen die Dicke der Schicht des Trägermaterials nur einen untergeordneten Einfluss hat. Dies hat zur Folge, dass auch teu- re Materialien aus Trägermaterial verwendet werden können, da lediglich eine relativ dünne Schicht dieser Materialien verwendet werden muss. Advantageously, the carrier material is arranged in the form of a layer on a base material, in particular on a quartz glass. The thickness of this layer can be between a few nanometers and a few monolayers on one side and a few micrometers on the other side. For the amplification of the SERS signal, the contact area between the substrate material and the carrier material is obviously important, whereas the thickness of the layer of the carrier material has only a minor influence. As a result, even expensive can be used materials of carrier material, since only a relatively thin layer of these materials must be used.
Vorzugsweise ist das Trägermaterial in diesem Fall SiOx, Ta2Os, TiO2, HfO2, Nb2O5, MgO, ZrO2, AI2O3) Ga2O3 oder eine Kombination mehrerer dieser Materialien. Bei SiOx bezeichnet das„x" einen stöchiometrischen Faktor, durch den beispielsweise der Brechungsindex des Materials beein- flusst werden kann. Für x=1 beträgt der Brechungsindex beispielsweise n=1 ,7. Der Wert X beträgt mit Gold als Substratmaterial in diesem Fall X=6,7. Ein Brechungsindex n=1 ,8 liefert X=7,6, während ein Brechungsindex n=1 ,9 einen Wert X=8,3 liefert. Diese Berechnungen wurden jeweils mit SiOx als Träger- und Gold als Substratmaterial durchgeführt. In this case, the support material is preferably SiO x , Ta 2 Os, TiO 2 , HfO 2 , Nb 2 O 5 , MgO, ZrO 2 , Al 2 O 3) Ga 2 O 3 or a combination of several of these materials. In the case of SiO x , the "x" designates a stoichiometric factor, which can influence the refractive index of the material, for example, for x = 1, the refractive index is n = 1.7 The value X with gold as the substrate material in this case X = 6.7 A refractive index n = 1.8 gives X = 7.6, while a refractive index n = 1.9 gives X = 8.3 These calculations were carried out with SiO x as carrier and gold as Substrate material performed.
Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, das Substrat direkt an einer Endfläche des optischen Leiters, insbesondere des Glasfaserkabels anzuordnen. Dies ist insbesondere in der Medizintechnik, in der beispielsweise die Untersuchung von weichem Material, beispielsweise von Organen, notwendig ist von Vorteil. Oftmals ist es nicht möglich oder zumindest nicht gewollt, eine Probe des zu untersuchenden Materials, beispielsweise eines menschlichen Organs, zu entnehmen. Wird das SERS-Substrat an das Ende eines Glasfaserkabels angeordnet, so kann beispielsweise ein Organ wie mit einer Nadel durchdrungen und gleichzeitig analysiert werden. Man erhält auf diese Weise ortsaufgelöst Informationen über die Zusammensetzung des Organs, was insbesondere in der medizinischen Diagnostik eingesetzt werden kann, um beispielsweise gutartige von bösartigen Tumoren zu unterscheiden. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, bei dem oftmals mit einer Kamera über eine Sonde beispielsweise Speiseröhre, Magen oder Darm, zu untersuchen sind. Auch mit diesen Verfahren können zwar auffällige Stellen lokalisiert werden, eine direkte Aussage darüber, ob beispielsweise ein gutartiger oder ein bösartiger Tumor vorliegt, ist über eine Kamera jedoch nicht möglich. Insbesondere in Kombination mit einem hier beschriebenen SERS-Substrat am Ende eines optischen Leiters, beispielsweise eines Glasfaserkabels, kann die markante Stelle gleich an Ort und Stelle untersucht werden, so dass die gewünschten Aussagen schnell und sicher getroffen werden können. Eine Entnahme von Gewebeproben ist nicht nötig. In this way it is possible, for example, to arrange the substrate directly on an end surface of the optical conductor, in particular of the glass fiber cable. This is particularly advantageous in medical technology, in which, for example, the examination of soft material, such as organs, is necessary. Often it is not possible or at least not intended to take a sample of the material to be examined, for example a human organ. When the SERS substrate is placed on the end of a fiber optic cable, for example, an organ may be penetrated as though with a needle and analyzed simultaneously. This gives spatially resolved information about the composition of the organ, which can be used in particular in medical diagnostics, for example to distinguish benign from malignant tumors. This represents a significant improvement over the prior art, which is often to be examined with a camera via a probe such as the esophagus, stomach or intestine. Even with these methods, although conspicuous sites can be located, a direct statement as to whether, for example, a benign or a malignant tumor is present, is not possible via a camera. In particular in combination with one described here SERS substrate at the end of an optical conductor, such as a fiber optic cable, the distinctive location can be examined right in place, so that the desired statements can be made quickly and safely. A removal of tissue samples is not necessary.
Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn der Träger Teil einer Wandung eines Reaktionsbehälters oder eines Mikrofluidsystem ist. Innerhalb des Reaktors oder des Mikrofluidsystems befindet sich ein Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit, in dem beispielsweise die Konzentration oder überhaupt das Vorhandensein von bestimmten Substanzen detektiert werden soll. Wird das SERS-Substrat direkt in die Wandung des Reaktors integriert, in dem beispielsweise der Träger Teil der Wandung des Reaktionsbehälters ist, kann Anregungsstrahlung beispielsweise über einen optischen Leiter direkt an die Innenwand des Reaktors, die die Oberfläche des Trägers bildet, geleitet werden. Auf diese Weise ist eine ln-situ- Diagnose und Überwachung der Konzentration des zu detektierenden Materials bzw. der zu detektierenden Substanz im Reaktorbehälter möglich. It has proved to be advantageous if the carrier is part of a wall of a reaction container or of a microfluid system. Within the reactor or the microfluidic system is a medium, for example a liquid, in which, for example, the concentration or even the presence of certain substances is to be detected. If the SERS substrate is integrated directly into the wall of the reactor, in which, for example, the carrier is part of the wall of the reaction vessel, excitation radiation can be conducted, for example, via an optical conductor directly to the inner wall of the reactor forming the surface of the carrier. In this way, an in situ diagnosis and monitoring of the concentration of the material to be detected or the substance to be detected in the reactor vessel is possible.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch ein Set zum Durchführen einer SERS-Messung mit einem hier beschriebenen SERS- Substrat und einem Laser zum Aussenden von Laserstrahlung, die insbesondere als Anregungsstrahlung verwendet wird, und die eine Wellenlänge λ aufweist, die einer zu ωε,ι korrespondierenden Wellenlänge Ä E,i ± 50 nm, vorzugsweise ± 20 nm, besonders vorzugsweise ± 10 nm entspricht. Die Anregungsfrequenz COEJ wurde als optimale Anregungsfrequenz festgestellt um die gewünschte Streustrahlung, die um die Stokesverschie- bung in der Frequenz verschoben ist, zu detektieren. Es ist daher optimal, wenn die Laserstrahlung, die von dem Laser ausgesandt werden kann, möglichst exakt eine dieser Frequenz ωε,ι entsprechende Wellenlänge λ E,i aufweist. The invention also achieves the stated object by means of a set for carrying out an SERS measurement with an SERS substrate described here and a laser for emitting laser radiation, which is used in particular as excitation radiation, and which has a wavelength λ which corresponds to one to ωε, corresponding wavelength λ E , i ± 50 nm, preferably ± 20 nm, particularly preferably ± 10 nm corresponds. The excitation frequency COEJ was found to be the optimum excitation frequency in order to detect the desired scattered radiation shifted in frequency by the Stokes shift. It is therefore optimal if the laser radiation that can be emitted by the laser as exactly as possible one of these frequency ωε, ι corresponding wavelength λ E, i has.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch ein Verfahren zum Durchführen einer SERS-Messung, bei dem ein hier beschriebenes SERS-Substrat verwendet und ein Anregungslaserstrahl durch den Träger und das Substrat geleitet wird und danach auf ein zu bestimmendes Material trifft. Vorteilhafterweise wird dabei auch die Raman- Streustrahlung durch den Träger geleitet und anschließend detektiert. The invention also solves the problem set by a method for Performing a SERS measurement using an SERS substrate described herein and passing an excitation laser beam through the substrate and the substrate and then striking a material to be detected. Advantageously, the Raman scattered radiation is also passed through the carrier and subsequently detected.
Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt: With the aid of a drawing, an embodiment of the present invention will be explained in more detail below. It shows:
Figur 1 - die schematische Schnittdarstellung durch ein SERS-FIG. 1 shows the schematic sectional illustration through a SERS
Substrat gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Substrate according to a first embodiment of the present invention,
Figur 2 - das Ergebnis einer SERS-Messung an einem kommerziell erhältlichen SERS-Substrat und Figure 2 - the result of a SERS measurement on a commercially available SERS substrate and
Figur 3 - das Ergebnis einer indirekten und einer direkten SERS- Messung an einem SERS-Substrat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. FIG. 3 shows the result of an indirect and a direct SERS measurement on a SERS substrate according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein SERS-Substrat 1 , das über einen Träger 2 mit einer Oberfläche 4 verfügt. Der Träger 2 besteht aus einem Trägermaterial. An der Oberfläche 4 befindet sich ein Substrat 6 aus einem Substratmaterial. Dieses Substrat 6 verfügt über eine Mikro- oder Nanostruktur, die in Figur 1 nicht dargestellt. An der dem Träger 2 abgewandten Seite des Substrates 6 lagert sich ein Analyt 8 an, der durch eine SERS-Messung detektiert werden soll. Bei dem Substrat 6 handelt es sich um ein plasmonisches Material, das aus den bereits benannten Materialien bestehen kann. FIG. 1 shows a sectional view through an SERS substrate 1, which has a carrier 2 with a surface 4. The carrier 2 consists of a carrier material. On the surface 4 is a substrate 6 made of a substrate material. This substrate 6 has a micro or nanostructure, which is not shown in FIG. An analyte 8 is deposited on the side of the substrate 6 facing away from the carrier 2, which is to be detected by an SERS measurement. The substrate 6 is a plasmonic material, which may consist of the already named materials.
Durch einen ersten Pfeil 10 wird eine direkte Bestrahlung dargestellt. Laserstrahlung der Anregungsfrequenz wird durch die Luft oder ein anderes verwendetes Medium, beispielsweise Wasser, auf den Analyten 8 gesendet und regt diesen an. Der Analyt 8 sendet dann frequenzverschobene elektromagnetische Strahlung aus, die auf dem umgekehrten Weg, in Figur 1 also nach oben, detektiert wird. Elektromagnetische Strahlung, die in den Träger 2 eintritt, wird folglich nicht verwendet. Bei dieser Art der direkten Bestrahlung wird oftmals ein Trägermaterial verwendet, das bei den verwendeten Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung intransparent ist. By a first arrow 10, a direct irradiation is shown. Laser radiation of the excitation frequency is sent to the analyte 8 by the air or another medium used, for example water, and stimulates it. The analyte 8 then emits frequency-shifted electromagnetic radiation, which is detected in the opposite way, ie in FIG. 1, upwards. Electromagnetic radiation entering the carrier 2 is consequently not used. In this type of direct irradiation often a carrier material is used, which in the used wavelengths of electromagnetic radiation is intransparent.
Ein zweiter Pfeil 12 deutet die indirekte Bestrahlungsrichtung an. Die Anregungsstrahlung wird durch den Träger 2 und das Substrat 6 auf den Analyten 8 gesendet und regt diesen an. Die von dem Analyten 8 ausgesandte elektromagnetische Strahlung wird auf dem umgekehrten Weg, in Figur 1 also nach unten, durch das Trägermaterial des Trägers 2 hindurch geleitet und anschließend detektiert. Dies kann je nach Auswahl der verwendeten Materialien für den Träger 2 und das Substrat 6 zu einer deutlichen Verstärkung des SERS-Signals und damit zu einer deutlichen Erhöhung der Empfindlichkeit der Messung führen. A second arrow 12 indicates the indirect direction of irradiation. The excitation radiation is sent by the carrier 2 and the substrate 6 to the analyte 8 and stimulates it. The electromagnetic radiation emitted by the analyte 8 is conducted through the carrier material of the carrier 2 in the opposite way, that is to say downwards in FIG. 1, and subsequently detected. Depending on the choice of materials used for the carrier 2 and the substrate 6, this can lead to a significant amplification of the SERS signal and thus to a significant increase in the sensitivity of the measurement.
Figur 2 zeigt das Ergebnis einer SERS-Messung bei der ein unter dem Namen„Klarite" kommerziell erhältliches SERS-Substrat verwendet wurde. Als Analyt wurde Thiophenol verwendet und die SERS-Messung direkt durchgeführt. Es wurde folglich das Anregungslaserlicht durch die Luft und nicht durch den Träger und das Substrat auf den Analyten geleitet. Auch die Raman-Streustrahlung wurde durch die Luft und nicht durch das Substrat und den Träger geleitet, bevor sie detektiert wurde. In Figur 2 ist die Zellrate und damit die Raman-Intensität über der Raman-Verschiebung aufgetragen. Die Messdauer beträgt dabei fünf Sekunden. Das verwendete SERS-Substrat„Klarite" weist eine Goldoberfläche auf. Figure 2 shows the result of a SERS measurement using a SERS substrate commercially available under the name "Klarite." As the analyte, thiophenol was used and the SERS measurement was performed directly, and thus the excitation laser light was transmitted through the air and not through The Raman scattering radiation was also passed through the air and not through the substrate and the carrier before it was detected, In Figure 2, the cell rate and hence the Raman intensity is above the Raman. The measuring time is five seconds and the SERS substrate "Klarite" has a gold surface.
Für die vorliegende Anmeldung ist die Anzahl und Position der in Figur 2 gezeigten Peaks nicht von übergeordnetem Interesse. Interessant ist lediglich, dass die maximale Peak-Höhe bei einer Intensität von ca. 2.800 liegt. Die Intensität ist zwar in willkürlichen Einheiten angegeben, dies entspricht jedoch der Zählrate des Detektors. For the present application, the number and position of the peaks shown in Figure 2 is not of overriding interest. It is only interesting that the maximum peak height is at an intensity of about 2,800. Although the intensity is given in arbitrary units, this corresponds to the count rate of the detector.
Figur 3 zeigt vergleichbare Messungen an einem SERS-Substrat gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das SERS- Substrat verfügt über einen Träger aus SiOx. Der Träger ist 530 nm dick und für das gezeigte Ausführungsbeispiel auf einem Grundmaterial aufgebracht, für das Quarzglas verwendet wurde. Anschließend wurde auf den Träger ein Substrat aus Gold aufgedampft, das anschließend mit einem einzigen Laserpuls mit einer Fluenz von 110mJ/cm2 behandelt wurde. FIG. 3 shows comparable measurements on a SERS substrate according to an exemplary embodiment of the present invention. The SERS Substrate has a support of SiOx. The support is 530 nm thick and, for the embodiment shown, applied to a base material using fused silica. Subsequently, a substrate of gold was deposited on the support, which was then treated with a single laser pulse with a fluence of 110mJ / cm 2 .
Das SERS-Substrat wurde für 24 Stunden in eine Thiophenol-Lösung eingelegt, wie es auch mit dem„Klarite"-SERS-Substrat gemacht wurde, dessen Ergebnis in Figur 2 dargestellt ist. Anschließend wurde das SERS- Substrat mit Ethanol gereinigt. Die auf diese Weise entstandene Monolage Thiopenol auf der Substratoberfläche des SERS-Substrats wurde mit einem„Kaiser Optical System" Raman-System vermessen. Dabei wurde ein Laser mit einer Laserwellenlänge von 785 nm bei einer Leistung von 58 mW verwendet. The SERS substrate was placed in a thiophenol solution for 24 hours, as was done with the "Klarite" -SERS substrate, the result of which is shown in Figure 2. Subsequently, the SERS substrate was cleaned with ethanol This monolayer of thiophenol formed on the substrate surface of the SERS substrate was measured using a Kaiser Optical System Raman system. In this case, a laser with a laser wavelength of 785 nm at a power of 58 mW was used.
In Figur 3 ist das Ergebnis dieser SERS-Messung dargestellt. In Form einer durchgezogenen Linie ist das Ergebnis einer direkten Bestrahlung gezeigt. Dies bedeutet, dass das Laser-Anregungslicht durch die Luft auf den Analyten Thiophenol gelangt. Mit gestrichelten Linien hingegen ist das Ergebnis einer indirekten SERS-Messung gezeigt, bei der das FIG. 3 shows the result of this SERS measurement. The result of a direct irradiation is shown in the form of a solid line. This means that the laser excitation light passes through the air to the analyte thiophenol. By dashed lines, however, the result of an indirect SERS measurement is shown, in which the
Laseranregungslicht durch das Trägermaterial des Trägers und das Substratmaterial des Substrates auf den Analyten geleitet wird. Auch die zurückgestreute Raman-Streustrahlung wird durch das Substratmaterial des Substrates und des Trägermaterial des Trägers geleitet, bevor es detektiert werden kann. Sowohl bei direkter und als auch bei indirekter Bestrahlung wurde im gezeigten Ausführungsbeispiel der Laser so justiert, dass das erhaltene Raman-Signal maximal ist. Laser excitation light is passed through the carrier material of the carrier and the substrate material of the substrate to the analyte. The back scattered Raman scattered radiation is also passed through the substrate material of the substrate and the carrier material of the carrier before it can be detected. In both direct and indirect irradiation, the laser has been adjusted in the embodiment shown so that the resulting Raman signal is maximal.
Auch bei den in Figur 3 gezeigten Messkurven ist die Intensität in willkürlichen Einheiten über der Raman-Verschiebung aufgetragen. Die Raman- Verschiebung ist wie in Figur 2 in Einheiten der Wellenzahl 1/cm aufgetragen. Die willkürlichen Intensitätseinheiten entsprechen wie in Figur 2 der Zählrate des Detektors. Allerdings ist bei den Messungen, deren Ergebnisse in Figur 3 dargestellt sind, die Belichtungszeit auf 10 Sekunden gesetzt worden. Ansonsten sind die Messungen, deren Ergebnisse in den Figuren 2 und 3 dargestellt sind, vergleichbar, da sie sich im Wesentlichen in der Belichtungszeit und dem verwendeten SERS-Substrat unterscheiden. Man erkennt im Vergleich, dass die maximale Peak-Höhe selbst in der direkten Bestrahlung des SERS-Substrates gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung deutlich höher ist, als dies bei der SERS-Messung mit einem kommerziell erhältlichen SERS-Substrat der Fall ist. Die maximale Peak-Höhe bei einer indirekten Messung, die in Figur 3 dargestellt ist, zeigt nochmals eine deutliche Verstärkung. Also in the case of the measurement curves shown in FIG. 3, the intensity is plotted in arbitrary units over the Raman shift. The Raman shift is plotted as in FIG. 2 in units of the wavenumber 1 / cm. The arbitrary intensity units correspond as in FIG Count rate of the detector. However, in the measurements whose results are shown in Figure 3, the exposure time has been set to 10 seconds. Otherwise, the measurements, the results of which are shown in FIGS. 2 and 3, are comparable since they differ substantially in the exposure time and the SERS substrate used. It can be seen in comparison that the maximum peak height is significantly higher, even in the direct irradiation of the SERS substrate according to an embodiment of the present invention, than is the case with the SERS measurement with a commercially available SERS substrate. The maximum peak height in an indirect measurement, which is shown in Figure 3, again shows a significant gain.
Die Materialkombination bzw. das SERS-Substrat, das den in Figur 3 gezeigten Messergebnissen zugrunde lag, liefert einen Wert X von ca. 7,3. The material combination or the SERS substrate, which was based on the measurement results shown in Figure 3, provides a value X of about 7.3.
ΛηΛη
- 19 -  - 19 -
Bezuqszeichenliste LIST OF REFERENCES
1 - SERS-Substrat 1 - SERS substrate
2 - Träger  2 - carrier
4 - Oberfläche  4 - surface
6 - Substrat  6 - Substrate
8 - Analyt  8 - analyte
10- erster Pfeil  10- first arrow
12- zweiter Pfeil  12- second arrow

Claims

Patentansprüche: Patent claims:
1. SERS-Substrat mit 1. SERS substrate with
einem Träger aus einem Trägermaterial, a carrier made of a carrier material,
der eine Oberfläche aufweist, und which has a surface, and
einem Substrat aus einem Substratmaterial mit einer dielektrischen Funktion εΜ, a substrate made of a substrate material with a dielectric function ε Μ ,
das an der Oberfläche des Trägers angeordnet ist und eine Struktur aufweist, which is arranged on the surface of the carrier and has a structure,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Trägermaterial und das Substratmaterial derart gewählt sind, dass ein Wert X wenigstens 6 beträgt, wobei X wie folgt berechnet wird:
Figure imgf000022_0001
wobei die einzelnen Größen folgendes darstellen: the carrier material and the substrate material are selected such that a value X is at least 6, where X is calculated as follows:
Figure imgf000022_0001
where the individual sizes represent the following:
ω5 : Stokesverschiebung = 1000 cm"1 ω 5 : Stokes displacement = 1000 cm "1
o>E,d : Anregungsfrequenz, bei der der erste Faktor von X maximal wird, o>E,d: excitation frequency at which the first factor of X becomes maximum,
ω : Anregungsfrequenz, bei der der zweite Faktor von X maximal wird und ω: excitation frequency at which the second factor of X becomes maximum and
£Luft : dielektrische Funktion von Luft =1 £ Air ft : dielectric function of air =1
ED : dielektrische Funktion des Trägermaterials bei einer Wellenlänge λ=600 nm ED: dielectric function of the carrier material at a wavelength λ=600 nm
2. SERS-Substrat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial und das Substratmaterial derart gewählt werden, dass X größer ist als 10, vorzugsweise größer ist als 50, insbesondere vorzugsweise größer ist 100. 2. SERS substrate according to claim 1, characterized in that the carrier material and the substrate material are selected such that X is greater than 10, preferably greater than 50, particularly preferably greater than 100.
3. SERS-Substrat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bestimmung von ωΕ,ό und ωε,ι je ein lokales Maximum des ersten Faktors und des zweiten Faktors für Frequenzen berech- net werden, die Wellenlängen zwischen 300 nm und 900 nm entsprechen. 3. SERS substrate according to claim 1 or 2, characterized in that for the determination of ω Ε, ό and ωε,ι a local maximum of the first factor and the second factor are calculated for frequencies, the wavelengths between 300 nm and correspond to 900 nm.
SERS-Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Platin, Natrium, Indium, Zink, Cadmium, Gallium oder eine Kombination mehrerer dieser Elemente aufweist. SERS substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate material comprises gold, silver, copper, aluminum, platinum, sodium, indium, zinc, cadmium, gallium or a combination of several of these elements.
SERS-Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substratmaterial eine Nanostruktur oder eine Mikrostruktur aufweist. SERS substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate material has a nanostructure or a microstructure.
SERS-Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial Saphir, Diamant, Flintglas, Bleiglas, Polycarbonat, Polystyrol oder eine Kombination dieser Materialien ist. SERS substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier material is sapphire, diamond, flint glass, lead glass, polycarbonate, polystyrene or a combination of these materials.
7. SERS-Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial in Form einer Schicht auf einem Grundmaterial, insbesondere auf Quarzglas, angeordnet ist. 7. SERS substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier material is arranged in the form of a layer on a base material, in particular on quartz glass.
8. SERS-Substrat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial SiOx, Ta2O5, Ti02, HfO2, Nb2O5, MgO, ZrO2, AI2O3, Ga203 oder eine Kombination dieser Materialien ist. 8. SERS substrate according to claim 7, characterized in that the carrier material is SiO x , Ta 2 O 5 , Ti0 2 , HfO 2 , Nb 2 O 5 , MgO, ZrO 2 , Al 2 O 3 , Ga 2 03 or a combination of these materials.
9. SERS-Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger Teil einer Wandung eines Reaktionsbehälters oder eines Mikrofluidsystems ist. 9. SERS substrate according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier is part of a wall of a reaction container or a microfluid system.
10. Set zum Durchführen einer SERS-Messung mit einem SERS- Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche und einem Laser zum Aussenden von Laserstrahlung, die eine Wellenlänge λ aufweist, die einer zu ωΕ,ι korrespondierenden Wellenlänge λΕ,ί ± 50 nm, vorzugsweise ωΕ,ί ± 20 nm, besonders vorzugsweise ωΕ,ί ± 10 nm entspricht. 10. Set for carrying out a SERS measurement with a SERS substrate according to one of the preceding claims and a laser for emitting laser radiation which has a wavelength λ which corresponds to a wavelength λ Ε , ί ± 50 nm, preferably ω Ε ,ί ± 20 nm, particularly preferably ω Ε ,ί ± 10 nm.
11. Verfahren zum Durchführen einer SERS-Messung, bei dem ein 11. Method for carrying out a SERS measurement, in which a
SERS-Substrat nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9 verwendet und ein Anregungslaserstrahl durch den Träger und das Substrat geleitet wird und danach auf ein zu bestimmendes Material trifft. SERS substrate according to one of the preceding claims 1 to 9 is used and an excitation laser beam is passed through the carrier and the substrate and then strikes a material to be determined.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die 12. The method according to claim 11, characterized in that the
Rama-Streustrahlung durch den Träger geleitet und anschließend detektiert wird. Rama scattered radiation is passed through the carrier and then detected.
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