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Ramanspektroskopisches Nachweisverfahren in miniaturisierter Frei-Fluss-Elektrophorese

Derzeit beruht die Überwachung chemischer und biologischer Produktions- und Reinigungsabläufe sowie analytischer Verfahren in der medizinischen Diagnostik in den allermeisten Fällen auf „Offline“-Verfahren. Hierbei werden dem Prozess Substanzproben entnommen, die anschließend in entsprechend ausgerüsteten Laboratorien mit den verschiedensten chemischen, biochemischen oder physikalischen Verfahren (z.B. Chromatographie, Massenspektroskopie, Immuno-Assays) hinsichtlich ihrer Inhaltsstoffe analysiert werden. Die meisten dieser Standard-Analysetechniken sind nicht in der Lage, eine kontinuierliche Analyse direkt im Prozess (online) durchzuführen. Die vielerorts eingesetzte „Offline“-Labor-Analytik ist sehr zeit-, arbeits- und kostenintensiv. Dadurch entstehen insbesondere bei der Produktion sensibler und wertvoller Güter, wie z.B. Pharmaprodukten, Feinchemikalien oder Lebensmitteln, als auch im Bereich der Umweltanalytik erhebliche Risiken durch zu spät detektierte Kontaminationen.

Dies hat zum Beispiel die Folge, dass ganze Produktchargen ausfallen. Dies soll durch den Einsatz eines Online-Analyse- und Überwachungsverfahrens für chemische und biologische Prozessabläufe verhindert werden.

 

Links: Konventionelle Freifluss-Elektrophorese, Trennstrecke ca 600mm
Rechts: Erste miniaturisierte FFE-Zelle, Trennstrecke ca. 80mm

In der Regel handelt es sich gerade bei biologischen Proben um hoch komplexe Gemische. Dieses gleichzeitige Vorhandensein einer Vielzahl verschiedener Substanzen führt zu vielfältigen spektralen Überlagerungen und Querempfindlichkeiten. Dieser Problematik wird mit elektrophoretische Separations- und Anreicherungsverfahren begegnet . Durch Miniaturisierung der konventionellen Frei-Fluss-Elektrophorese soll der Verbrauch von teuren aber notwendigen Elektrolyten den benötigten Probenmengen reduziert werden.

 

Rasterkraft-Aufnahme von am LLG gefertigter SERS-Oberfläche

Zur Identifizierung und zum hochempfindlichen Nachweis der mittels Frei-Fluss-Elektrophorese aufgetrennten und angereicherten molekularen Spezies soll die oberflächenverstärkte Ramanspektroskopie (Surface-Enhanced Raman-Spectroscopy, kurz „SERS“) eingesetzt werden. Hierbei wird ausgenutzt, dass durch die resonante optische Anregung von Oberflächenplasmonen in nanostrukturierten Gold-Oberflächen extreme Signalverstärkungen von bis zu 1014 erzielt werden können. Zu diesem Zweck werden verschiedenste nanostrukturierte Oberflächen zum Teil selbst hergestellt und hinsichtlich ihrer Verstärkungseigenschaften und der örtlichen Reproduzierbarkeit des Verstärkungseffektes charakterisiert.