Papierbasierte Mikrofluidik-Systeme mit SERS-Detektion

Abstract

Schnelltests sind eine weit verbreitete Analysemethode, um vor Ort schnelle analytische Aussagen treffen zu können. Ein möglicher Zugang zu Schnelltests für Analyten in geringer Konzentration könnten Messung von Oberflächenverstärkten Raman-Spektren sein. In der vorliegenden Arbeit wird insbesondere auf drei Aspekte der SERS-Messungen (= Oberflächenverstärkte Raman-Streuung) eingegangen: die Reproduzierbarkeit der SERS-Signalintensität, die Interpretation der Konzentrationskurven und die Analyse von Probengemischen. Für die Untersuchung der Reproduzierbarkeit wurden verschiedene Auftragungsmethoden und Messsysteme getestet und es wurde untersucht, wie reproduzierbar die Signalintensitäten über einen längeren Zeitraum sind. Dabei wurde festgestellt, dass die Kombination von einer homogenen Auftragung der Nanopartikelsuspensionen auf dem Papier und ein großer Durchmesser des Laser- und Detektionspunktes auf der Probe zu einer stabileren Signalintensität führen. Die bei einem Labormessaufbau eine Stabilität des Messsignals von ca. 20 % relativer Standardabweichung über einen Zeitraum von ca. 2,5 Monaten lieferte. Für die Analyse und Auswertung der Abhängigkeiten der SERS-Signalintensität von der Konzentration des Analyten wurden Konzentrationsreihen von verschiedenen Verbindungen aufgenommen. Die Messdaten konnten mit einer Langmuir-Isotherme beschrieben und mit dem Langmuir-SERS-Modell erklärt werden. Für die gemessenen Thiolverbindungen wurde zudem noch eine weitere Möglichkeit der quantitativen Analyse gefunden, die auf der Auswertung der Verschiebung von bestimmten SERS-Banden im Spektrum in Abhängigkeit von der Analytkonzentration beruht. Für die Analysen der Mehrkomponenten-Lösungen wurden die Papierbasierten Mikrofluidik-Analysesysteme (µPADs) eingesetzt. Hier konnte beobachtet werden, dass Analyten aus einer Lösung auf Grund ihrer hohen Affinität zu den Nanopartikeln abgetrennt werden können und es so möglich ist, diese zu analysieren.

Rapid tests are widely used analytical methods for obtaining analytical information immediately on site. Surface enhanced Raman scattering (SERS) is a possible detection method for compounds in diluted samples. This thesis focuses mainly on three aspects: reproducibility of SERS signal intensity, interpretation of concentration curves and analysis of sample mixtures. The signal reproducibility was investigated using different deposition methods and measurement systems and the reproducibility of measurements was tested over longer periods of time. It was found that the most stable signal intensity was obtained using a combination of homogeneous deposition of a nanoparticle suspension on paper and a detection configuration that involves large diameters of both, the laser and the detection spot on the sample. It was shown with a laboratory setup, that comparatively stable measurements are possible with a relative standard deviation of approx. 20 % over a period of approx. 2.5 months. For the analysis and interpretation of the dependence of the SERS signal intensity on the concentration of the analyte, concentration series of different compounds were measured. The measurement data could be fitted with a Langmuir isotherm and explained with the Langmuir SERS model. For the measured thiol compounds an alternative option for quantification was found: the shift of certain SERS bands in the Raman spectrum as a function of analyte concentration. For the analysis of compound mixture in solution microfluidic paper-based analytical devices (µPADs) were used. It was observed that certain analytes which have a high affinity for the nanoparticles can be separated from the solution and thereby analyzed.