Dreidimensionale Lab-on-Chip Architekturen für die integrierte oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (LoC-SERS)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Markus Guttmann; Professor Dr. Ulrich Lemmer; Professorin Irina Nazarenko, Ph.D.; Professor Dr. Wilhelm Pfleging
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 287236955

Die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (engl. SERS) hat sich als die vielleicht wichtigste und mächtigste Methode für eine empfindliche biochemische Detektion entwickelt. In diesem Forschungsprojekt wird ein interdisziplinärer Ansatz für die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie vorgestellt, der die Mikro- und Nano-Systemintegration mit der Nanophotonik kombiniert. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist der Aufbau eines Lab-on-Chip SERS-Systems mit integrierter Mikrofluidik und integrierten organischen Lasern. Zur Erreichung dieses Zieles müssen mehrere technologische, materialwissenschaftliche, nanophotonische und systemtechnische Herausforderungen bewältigt werden: Es sollen zunächst die Methoden für das Design und die kostengünstige Herstellung von integrierten SERS Nanostrukturen mit einem hohen Verstärkungsfaktor, erforscht werden. Weiterhin ist die Integration einer Laseranregungsquelle, vorzugsweise eines durchstimmbaren Lasers, in das Lab-on-Chip System ein Teil des Projektes. Im Einzelnen befasst sich dieses Forschungsprojekt mit den folgenden Themen: 1.) Vor der Metallabscheidung werden die Nanostruktur-Arrays auf dem Polymersubstrat durch Laserheißprägen (engl. Laser-assisted hot embossing) definiert und hergestellt. Der Raman-Verstärkungsfaktor der metallorganischen Nanostruktur-Arrays wird experimentell ermittelt. 2.) Mithilfe der Finite-Differenzen-Methode werden die Nanostruktur-Arrays in verschiedenen Geometrien untersucht, um den SERS-Verstärkungsfaktor für die biochemische Detektion bei verschiedenen Anregungswellenlängen zu verbessern. Diese Optimierung der Nanostrukturen wird in enger Rückkopplung mit der experimentellen Charakterisierung durchgeführt. 3.) Die optimierten Nanostrukturen werden in einen mikrofluidischen Kanal auf dem Polymerchip integriert. Anschließend werden die organischen Halbleiterlaser durch Laserheißprägen und Inkjet-Drucktechnik in den Chip eingefügt. Die Herstellung des SERS-Chips wird durch eine Verkapselung mit einem Polymerdeckel mithilfe eines Laserdurchstrahlschweißverfahrens abgeschlossen. 4.) Die senkrechte Laseranregung für SERS-Detektion kann entweder durch externe optische Elemente (z.B. einen achsversetzten Parabolspiegel) oder integrierte funktionale Polymerspiegel (metallabgeschiedene Polymerparabolspiegel oder Totalreflexionsspiegel) realisiert werden. Der Entwurf der Spiegel und die Toleranzrechnung werden mit optischer Simulation systematisch untersucht. Abschließend wird der integrierte Spiegel in der zweiten Methode mit einer hohen Genauigkeit auf den SERS-Chip positioniert. 5.) Um ihre Anwendungsmöglichkeit zu zeigen werden die hergestellten SERS-Substrate und SERS-Chips in ersten biochemischen Untersuchungen eingesetzt. Den Abschluss des experimentellen Teils des Projekts bilden die eigentlichen SERS-Messungen für die Überwachung von Wasserqualität sowie für die biomedizinische Diagnostik an tumorspezifischen genetischen Mutationen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen