fiberSERS


    Im Laufe der letzten Jahre konnte ein stetiger Anstieg der Konzentrationen
    verschiedener Medikamentenrückstände in Grund- und Oberflächengewässern registriert 
    werden. Insbesondere die Wirkstoffe von viel verwendeten Medikamenten, wie
    beispielsweise Estradiol, welches der Wirkstoff der Anti-Baby-Pille ist, oder Diclofenac,
    einem Schmerzmittel, stehen im Fokus aktueller Analysen. Es gilt nun frühzeitig zu
    reagieren, um einen weiteren Anstieg der Kontaminationen zu verhindern. Das
    fiberSERS-Projekt zielt darauf ab eine günstige und simple Analysemethode zu
    entwickeln, um Verunreinigungen in Gewässern mit geringem Aufwand zu identifizieren
    und zu quantifizieren und somit einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten.

    SERS steht für Surface Enhanced Raman Spectroscopy (dt. oberflächenverstärkte
    Ramanspektroskopie). Bei dieser Analysemethode wird die Probenlösung auf ein SERS-
    Substrat gegeben und somit der größte Nachteil der klassischen Ramanspektroskopie
    eliminiert: Die äußerst geringe Intensität des inelastisch gestreuten Lichtes. Durch die
    Bildung eines Charge-Transfer-Komplexes zwischen Probenmolekül und
    Metallisierungsschicht des SERS-Substrats wird die Polarisierbarkeit der Analytsubstanz
    deutlich erhöht. Weiterhin entstehen oberflächennah starke elektrische Felder durch die
    Anregung von Oberflächenplasmonen. Diese Einflüsse begünstigen sehr stark das
    Auftreten des Raman-Effekts und verstärken somit die Intensität des inelastisch
    gestreuten Lichts um mehrere Größenordnungen. Daher ist die verhältnismäßig geringe
    Anzahl an Molekülen, die in der Probenlösung auf das Substrat geschwemmt wurden
    ausreichend für ein Ramanspektrum.




REM-Aufnahme von Black Silicon





REM-Aufnahme von Säulen





REM-Aufnahme von Nano-Pyramiden






    Um den SERS-Effekt zu erhalten, der ein Sammelbegriff für die verschiedenen
    Verstärkungsmechanismen ist, werden nanoskopisch raue Oberflächen benötigt, die mit  
    einer Metallschicht mit einer Dicke im Nanometerbereich versehen werden. Dies sind die
    SERS-Substrate. Diese werden im Rahmen des fiberSERS-Projekts mittels verschiedener
    Prozesse hergestellt (von Oben nach Unten: Pyramidale Strukturen durch
    nasschemisches Ätzen, Säulen durch Selbstorganisation von Nanopartikeln und
    trockenchemisches Ätzen, Black Silicon durch advanced Silicon Etching).

    Diese Substrate werden an einem modularen Ramanspektroskop charakterisiert, welches
    über vier Laser, entsprechende Filtersätze, zwei Spektrometer und eine Vielzahl an
    optischen Komponenten verfügt, um für die jeweiligen SERS-Substrate optimale
    Untersuchungsbedingungen generieren zu können.




Der Messplatz



    Durch die Übertragung der SERS-Oberflächen auf Glasfasern, wird ein kompakter
    Fasersensor geschaffen. Durch diesen hindurch wird das Anregungslicht zur Probe
    geleitet und das von ihr ausgehende Licht zurück in den Strahlengang des
    Spektrometers geführt, wodurch es zur spektralen Analyse bereitsteht. Nach jeder
    Mesung kann der Sensor durch eine einfache Klemmvorrichtung an der Spitze einer
    Patch-Faser durch einen frischen ersetzt werden. In Verbindung mit einem portablen
    Ramanspektroskop, welches über einen Laptop mit Strom versorgt und angesteuert
    wird, steht ein hochsensitives Messsystem zur Spurenanalytik bereit, welches ohne
    Probenvorbereitung und unabhängig von Labors eingesetzt werden kann.


Prototyp des portablen Ramanspektroskops

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