Advanced three-dimensional lab-on-a-chip architectures for integrated surface-enhanced Raman spectroscopy (LoC-SERS)
Synthesis and Properties of Functional Materials
Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Final Report Abstract
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.
Publications
- 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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C. Krafft, K. Wilhelm, A. Eremin, S. Nestel, N. von Bubnoff, W. Schultze- Seemann,J. Popp, I. Nazarenko
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Anne Habermehl, Noah Strobel, Ralph Eckstein, Nico Bolse, Adrian Mertens, Gerardo Hernandez-Sosa, Carsten Eschenbaum, and Uli Lemmer
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A. Habermehl, R. Eckstein, N. Strobel, N. Bolse, G. Hernandez-Sosa, A. Mertens, C. Eschenbaum, U. Lemmer
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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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J.-H. Rakebrandt, H. Besser, A. Reif, A. Habermehl, M. Guttmann, M. Wissmann, C. Eschenbaum, U. Lemmer, H.-J. Seifert, W. Pfleging
- 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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Anne Habermehl
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Jan-Hendric Rakebrandt, Yijing Zheng, Heino Besser, Tim Scharnweber, Hans Jürgen Seifert, Wilhelm Pfleging
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E. B. Osei, L. Paniushkina, K. Wilhelm , J. Popp, I. Nazarenko, C. Krafft
(See online at https://doi.org/10.3390/biomedicines9050580)
