Monitoring Chip Based Electrophoretic Separations with Surface Enhanced Raman Spectroscopy
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projekts konnten signifikante Fortschritte zur inline Detektion in chipbasierten Trennverfahren mittels Ramanspektroskopie erzielt werden. Die durchgeführten Arbeiten zur Erfassung chemischer Substanzen mittels spontaner Ramanstreuung oder CARS zeigten erwartungsgemäß, dass die entscheidende Herausforderung die erreichbare Detektionssensitivität darstellt und dass diese Techniken folglich nur für die Analyse guter Ramanstreuer zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Im Vergleich dazu konnten mit Hilfe von Methoden zur Ausnutzung oberflächenverstärkender Ramaneffekte deutlich bessere Detektionsempfindlichkeiten erzielt werden. Hierbei kann zusammenfassend festgestellt werden, dass sich die SERS-Detektion in chipbasierten Trennverfahren sowohl durch den Einsatz kolloidaler Metallnanopartikel als auch durch die Integration stationärer plasmonisch aktiver Substrate erfolgreich realisieren lässt. Die durchgeführten Arbeiten haben gezeigt, dass bei der Nutzung von kolloidalen Nanopartikeln als plasmonisch aktive SERS-Substrate die Entkopplung des elektrophoretischen Trennprozesses von der Nanopartikelzugabe eine entscheidende Rolle spielt, um eine störungsfreie Separation zu gewährleisten. Wie wir ebenfalls zeigen konnten, lassen sich Leistungsfähigkeit, Robustheit und Wiederverwendbarkeit der MCE-SERS Chipsysteme noch weiter steigern, wenn die separierten Probenzonen mit Hilfe einer geeigneten Schnittstelle zunächst in Mikrotröpfchen kompartimentiert und konserviert werden. Nach Zudosieren kolloidaler Metallnanopartikel in die einzelnen Tropfen können deren Inhalte mittels SERS, sowohl im Mikrodurchfluss als auch im stop flow Modus, analysiert werden. Gleichzeitig werden metallische Ablagerungen oder Verstopfungen im mikrofluidischen System effektiv verhindert. Bei den Entwicklungsarbeiten zum Einsatz stationärer SERS-Targets hat sich die Kombination mit Methoden zur Vermeidung von Memoryeffekten als besonders vielversprechend erwiesen. Da hiermit ungewollte Agglomeration und Analytverschleppung sowie störende Adsoptionoder Alterungsseffekte, wie sie bei Verwendung von Kolloiden auftreten können, effektiv vermieden werden können. Zudem kann es je nach Applikation von Vorteil sein, den Zusatz von Nanopartikeln zur Analytlösung zu vermeiden, um nachfolgende Prozesse, wie z.B. Assays, chemische Reaktionen oder Kopplung mit weiteren Detektionstechnologien, nicht zu beeinträchtigen. Insbesondere die Arbeiten zur elektrochemischen Rekonditionierung der plasmonisch aktiven Metalloberflächen in kürzester Zeit haben ein großes Potential, unterschiedliche chemische Verbindungen sequentiell und interferenzfrei in chipbasierten Mikrosystemen zu detektieren. Die Möglichkeiten und Grenzen dieses innovativen Ansatzes tiefer zu beleuchten, stellt eine erfolgsversprechende Ausgangslage für weiterführende Grundlagenforschung in gemeinnützigen Förderprojekten dar.
Publications
- „Fast electrically assisted regeneration of on chip SERS substrates“, Lab Chip 2015, 15, 2923-2927
T. A. Meier, E. Poehler, F. Kemper, O. Pabst, H. G. Jahnke, E. Beckert, A. Robitzki, D. Belder
(See online at https://doi.org/10.1039/c5lc00397k) - „Microchip HPLC separations monitored simultaneously by coherent anti-Stokes Raman scattering and fluorescence detection“, Microchim. Acta 2017, 184, 315-321
D. Geissler, J. J. Heiland, C. Lotter, D. Belder
(See online at https://doi.org/10.1007/s00604-016-2012-3) - „Seamless combination of high pressure chip-HPLC and droplet microfluidics on an integrated microfluidic glass chip“, Anal. Chem. 2017, 89, 13030-13037
R. Gerhardt, A. J. Peretzki, S. K. Piendl, D. Belder
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.analchem.7b04331) - „Catalysis by metal nanoparticles in a plug-in optofluidic platform: Redox reactions of pnitrobenzenethiol and p-aminothiophenol“, ACS Catal. 2018, 8, 2443-2449
Z. Zhang, U. Gernert, R. Gerhardt, E.-M. Höhn, D. Belder, J. Kneipp
(See online at https://doi.org/10.1021/acscatal.8b00101) - „Surface enhanced Raman spectroscopy in microchip electrophoresis“, J. Chromatogr. A 2018, 1541, 39-46
A. Tycova, R. F. Gerhardt, D. Belder
(See online at https://doi.org/10.1016/j.chroma.2018.02.014) - „Raman spectroscopic detection in continuous micro-flow using a chip-integrated silver electrode as electrically regenerable SERS substrate“, Anal. Chem. 2019, 91, 9844-9854
E. M. Höhn, R. Panneerselvam, A. Das, D. Belder
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b01514) - „A microfluidic device enabling surfaceenhanced Raman spectroscopy at chip-integrated multifunctional nanoporous membranes“, Anal. Bioanal. Chem. 2020, 412, 267-277
B. Krafft, R. P. Selvam, D. Geissler, D. Belder
(See online at https://doi.org/10.1007/s00216-019-02228-9) - „On-chip integration of normal phase high-performance liquid chromatography and droplet microfluidics introducing ethylene glycol as polar continuous phase for the compartmentalization of n-heptane eluents“, J. Chromatogr. A 2020, 1612, 460653
A. J. Peretzki, D. Belder
(See online at https://doi.org/10.1016/j.chroma.2019.460653) - „Microfuidic device for concentration and SERS-based detection of bacteria in drinking water“, Electrophoresis 2021, 42, 86-94
B. Krafft, A. Tycova, R. D. Urban, C. Dusny, D. Belder
(See online at https://doi.org/10.1002/elps.202000048)
