Dreidimensionale Lab-on-Chip Architekturen für die integrierte oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (LoC-SERS)
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die wesentliche Zielsetzung des Projektes war der Aufbau eines Lab-on-Chip Systems für die oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie (Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) mit einer integrierten Mikrofluidik und integrierten organischen Halbleiterlasern. Hierzu sollte das lasergestützte Heißprägen zur Herstellung der Nanostrukturen für SERS und für die Distributed Feedback (DFB) Laser entwickelt werden. Als SERS-Strukturen wurden plasmonische Nanostrukturen hergestellt, die auf den entstehenden Resonanzen zwischen goldbeschichteten Polymernanosäulen beruhen. Durch FDTD-Simulationen konnten die Resonanzen an den Zwischenräumen zwischen den Säulen identifiziert und optimiert werden. Deren Abstand kann durch die Goldschichtdicke systematisch immer geringer gemacht werden, was sowohl simulativ als auch experimentell zunächst zu einer starken Erhöhung und dann zu einem Einbruch des SERS-Effektes führt. Die Herstellung der Nanostrukturen erfolgte mittels eines lasergestützten Heißprägeprozesses. Das Werkzeug für diesen Prozess wurde zunächst durch Elektronenstrahllithografie in Silizium hergestellt und dann in einen Nickelshim abgeformt. Alle wesentlichen Prozessparameter für den Prozess wurden erarbeitet, so dass die Vertiefungen für die Polymersäulen mit Abständen von weniger als 100 nm reproduzierbar hergestellt werden konnten. Mit diesem Nickel-Werkzeug wurde dann der lasergestützte Heißprägeprozess entwickelt. Das lasergestützte Heißprägen ermöglicht, wie in diesem Projekt gezeigt, auch die Abformung von periodischen nanostrukturierten metallischen Formeinsätzen. Ebenso konnte als Weiterentwicklung der Fragestellungen aus dem Projekt erstmals gezeigt werden, dass auch komplexe Nanostrukturen mit möglichen Strukturhinterschnitten, sogenannte LIPSS-Strukturen (laser-induced periodical surface structures), die in Edelstahl (Formeinsatz) über Ultrakurzpulslaserbehandlung über große Flächen gefertigt wurden, ebenso erfolgreich in PS repliziert werden können. Das lasergestützte Heißprägen ermöglicht damit eine lokalisierte Funktionalisierung von polymeren Oberflächen im Hinblick auf optische und physikalische (z.B. Tribologie, Benetzungseigenschaften) Eigenschaften. In den experimentellen Untersuchungen mit den in mikrofluidische Chips integrierten Nanostrukturen ergaben sich in den SERS- Experimenten Verstärkungsfaktoren von > 4*10^4 gegenüber der Vergleichsmessung ohne Nanostrukturen. Der Projektpartner an der Uniklinik Freiburg hat für die Experimente notwendige biologische Proben (extrazelluläre Vesikel isoliert aus den konditionierten Überständen der Tumorzellen) isoliert, charakterisiert und zur Verfügung gestellt. Es konnten erste SERS-Messungen an Exosomen durchgeführt und es konnte gezeigt werden, dass das Konzept einer Integration von Laser und SERS-Struktren auf einem Chip realistisch ist. Hierzu wurden TIR-Optiken auf der Basis von PDMS abgeformt und damit erste Raman-Messungen durchgeführt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Roll-to-Roll Fabrication Approaches for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, Engineering and Life, Hannover (2016)
A. Habermehl, Ralph Eckstein, Nico Bolse, Gerardo Hernandez-Sosa, Carsten Eschenbaum,Uli Lemmer
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(2017) Fabrication of SERS Substrates by Roll-to-Roll Hot Embossing. In: Di Bartolo B., Collins J., Silvestri L. (eds) Nano-Optics: Principles Enabling Basic Research and Applications. NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics. Springer, Dordrecht., 107300F (2018)
Habermehl A., Liu X., Eschenbaum C., Lemmer U.
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A specific spectral signature of serum and plasma-derived extracellular vesicles for cancer screening, Nanomedicine 13, 835 (2017)
C. Krafft, K. Wilhelm, A. Eremin, S. Nestel, N. von Bubnoff, W. Schultze- Seemann,J. Popp, I. Nazarenko
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Lab-on-Chip, Surface-Enhanced Raman Analysis by Aerosol Jet Printing and Roll-to-Roll Hot Embossing, Sensors 17, 2401 (2017)
Anne Habermehl, Noah Strobel, Ralph Eckstein, Nico Bolse, Adrian Mertens, Gerardo Hernandez-Sosa, Carsten Eschenbaum, and Uli Lemmer
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Microfluidic surface-enhanced Raman analysis systems by aerosoljet printing, Proc. IEEE SENSORS 2017, 1410 (2017)
A. Habermehl, R. Eckstein, N. Strobel, N. Bolse, G. Hernandez-Sosa, A. Mertens, C. Eschenbaum, U. Lemmer
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Comparing roll-to-roll and laserassisted hot embossing for micro- and nanofabrication, Proc. SPIE 10730, 107300F (2018)
Anne Habermehl, Jan-Hendric Rakebrandt, Philipp Brenner, Robert Huber, Adrian Mertens, Markus Guttmann, Frank Winkler, Wilhelm Pfleging, Carsten Eschenbaum, Uli Lemmer
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Fabrication of nanostructured polymers by laser-assisted hot embossing for biological and optical applications, Proceedings of the 18th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology (euspen), S.289-290 (2018)
J.-H. Rakebrandt, H. Besser, A. Reif, A. Habermehl, M. Guttmann, M. Wissmann, C. Eschenbaum, U. Lemmer, H.-J. Seifert, W. Pfleging
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Roll-to-Roll Hot Embossing of 1D and 2D Photonic Nanostructures, Adv. Eng. Mater. 21, 1900110 (2019)
Anne Habermehl, Philipp Brenner, Robert Huber, Adrian Mertens, Frank Winkler, Lothar Hahn, Markus Guttmann, Carsten Eschenbaum, and Uli Lemmer
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“Rolle-zu-Rolle-Herstellung von mikrofluidischen Analysesystemen basierend auf der oberflächenverstärkten Ramanspektroskopie”, Dissertation, 18.03.2019, KIT-Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik
Anne Habermehl
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Laser-assisted surface processing for functionalization of polymers on micro- and nano-scale, Microsystem Technologies 26, 1085–1091 (2020)
Jan-Hendric Rakebrandt, Yijing Zheng, Heino Besser, Tim Scharnweber, Hans Jürgen Seifert, Wilhelm Pfleging
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Surface-Enhanced Raman Spectroscopy to Characterize Different Fractions of Extracellular Vesicles from Control and Prostate Cancer Patients, Biomedicines 9, 580 (2021)
E. B. Osei, L. Paniushkina, K. Wilhelm , J. Popp, I. Nazarenko, C. Krafft
