Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion und Charakterisierung von organischen Molekülen in einem flüssigen Probenvolumen im Mikro- und Sub- mikroliter-Bereich mittels Raman- und Infrarotspektroskopie, insbesondere mittels RR (resonanter Ramanspektroskopie), SERS (surface-enhanced Raman spectroscopy), SECARS (surface-enhanced coherent anti-Stokes Raman spectroscopy), SEIRA (surface-enhanced infrared absorption) und SPR (surface Plasmon resonance).

Im Bereich der Infrarot-Absorptionsspektroskopie an mikrofluidischen Kanälen sind Konzepte mit speziell für diesen Zweck gefertigten Transmissionskomponenten unter Verwendung der oberflächenverstärkten Infrarotabsorption bekannt. Der Nachteil dieser Transmissionskomponenten besteht in der Verwendung von kostenintensiven Materialien und strengen Desgin-Limitationen für die Mikrofluidikkanäle. Für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung existieren verschiedene Konzepte zur Untersuchung in mikrofluidischen Komponenten. Kombinierte Infrarot- und Raman-Konzepte für die Mikrofluidik sind bisher nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache Detektion und Charakterisierung von organischen Molekülen mit einer Konzentration unterhalb des ppm-Bereiches in einem flüssigen Probenvolumen im Mikro- und Submikroliter- Bereich aufgrund der Schwingungseigenschaften der Moleküle mittels der vorgenannten Verfahren der Raman-Spektroskopie und der Infrarotspektroskopie in einer einzigen Vorrichtung erreichen zu können.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art gelöst durch einen Mikrofluidikchip mit wenigstens einem nach oben offenen Mikroflui- dikkanal zum Durchströmen des Probenvolumens und durch eine den wenigstens einen Mikrofluidikkanal abdeckende, als Messfenster dienende transparente Platte, welche auf der dem wenigstens einen Mikrofluidikkanal zugewandten Seite mit einem Metallinselfilm beschichtet ist, und durch eine auf die Platte gerichtete Detektionsoptik, welche Licht auf die Platte strahlt und die reflektierten Lichtstrahlen empfängt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich somit zur Auswertung der an der Grenzfläche zwischen dem Metallinselfilm und dem Probenvolumen reflektierten Lichtstrahlung . Die unterschiedlichen Topologien des Metallinselfilms vermitteln mittels ihrer optischen Eigenschaften Verstärkungseffekte für die simultane Nutzung von Verfahren der Raman-Spektroskopie und der Infrarotspektroskopie und der Oberflächen- Plasmonenresonanzspektroskopie.

Der Verstärkungseffekt des metallischen Substrates bzw. des Metallinselfilms ergibt sich im Wesentlichen durch die resonante Anregung von Oberflächenplas- monen in den Metallinseln, wobei die benötigte Resonanzwellenlänge der elektromagnetischen Strahlung abhängig vom Durchmesser der Metallinseln ist.

Bei rotationssymmetrisch ausgebildeten Metallinseln ist lediglich eine Resonanz bei einem bestimmten Wellenlängenbereich anregbar, die für den Fall der Ra- manspektroskopie dahingehend optimiert ist, dass der Resonanzbereich die Wellenlänge der monochromatischen Strahlungsquelle beinhaltet.

Die erfindungsgemäße elliptische Form der Metallinseln hebt die Rotationssymmetrie auf und führt zu einer Aufspaltung der anregbaren Resonanzen. Hier können nun zwei unterschiedliche plasmonische Resonanzen entlang der Hauptachse und Nebenachse des Ellipsoids angeregt werden. Die plasmonische Resonanz entlang der Nebenachse tritt in einem Bereich kürzerer Wellenlängen als die Resonanz entlang der Hauptachse.

Dabei erlaubt die Verwendung einer solchen Rückseitenreflexionsgeometrie die Herstellung des eigentlichen Mikrofluidikchips aus einem kostengünstigen Polymermaterial, weil der Mikrofluidikchip selbst nicht vom einfallenden Licht durchdrungen wird und somit keine Auswertung der Transmission erfolgt. Die Vorrichtung ist somit als Zubehör zur Raman- und IR-Spektroskopie und der Oberflä- chen-Plasmonenresonanzspektroskopie mit abbildenden Optiken, optischen Fasern und/oder der Verwendung von brillanten Strahlungsquellen (z.B. Gas-Laser, QCLs) geeignet. Da die Vorrichtung eine kombinierte Infrarot- und Raman- Analyse möglich macht, wird eine gegenüber einem einzigen Messverfahren höhere Erkennungsrate für die Diagnostik ermöglicht. Außerdem ist der Probenverbrauch sehr gering und liegt z. B. im Submikroliter-Bereich.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Mikrofluidikchip und die Platte auswechselbar in einer gemeinsamen Halteeinrichtung angeordnet sind . Dadurch wird die Handhabung erleichtert, insbesondere kann der Mikrofluidikchip auf einfache Weise ausgetauscht werden.

Die transparente Platte muss selbstverständlich aus einem Material gewählt werden, das sowohl für sichtbares Licht (Raman-Spektroskopie und Oberflächen- Plasmonenresonanzspektroskopie) als auch für Infrarot durchlässig ist. Bevorzugt ist deshalb vorgesehen, dass die Platte aus Calciumfluorid, Bariumfluorid oder Zinkselenid besteht.

Dagegen kann der Mikrofluidikchip aus kostengünstigen Materialien bestehen. Bevorzugt besteht er z. B. aus Kunststoff (Polymermaterial) oder Glas.

Der Metallinselfilm kann grundsätzlich aus verschiedenen Metallen bestehen. Besonders bevorzugt werden Gold oder Silber verwendet. Andere Metalle, z.B. Platin, sind ebenfalls geeignet.

Der Metallinselfilm kann grundsätzlich auf verschiedene Weise auf die Platte aufgebracht werden. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Metallinselfilm durch thermisches Verdampfen unter Hochvakuumbedingungen auf die Platte aufgebracht ist, d.h. aufgedampft ist. Alternativ können auch kolloidale Lösungen oder Ätzverfahren zur Herstellung eingesetzt werden. Die einzelnen Metallinseln weisen Abmessungen in einer Größenordnung von 20 bis 100 nm auf, der wenigstens eine Mikrokanal des Mikrofluidikchips hat dagegen eine Breite in der Größenordnung von 50 bis 100 pm. Die Bedeckung der Platte im Bereich des Messfensters mit dem Metallinselfilm liegt gegenüber der Gesamtfläche im Messfenster für Infrarot bei etwa 80 bis 90 %, für Raman reicht eine wesentlich geringere

Bedeckungsrate aus. In vorteilhafter weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Metallinselfilm durch eine ultradünne Schutzschicht abgedeckt ist. Diese, einige nm dicke

Schutzschicht, die z.B. aus Siliciumoxid besteht, ermöglicht die mehrfache Verwendbarkeit und Reinigung der den Mikrofluidikkanal abdeckenden Platte.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass auf den Metallinselfilm bzw. die Schutzschicht eine ultradünne organische funktionale Schicht aufgebracht ist. Durch eine derartige ultradünne (einige nm dicke) organische funktionale Schicht in Form von Molekülen lassen sich spezifische Moleküle im Probenvolumen erkennen, so dass dadurch ein funktionaler Biosensor realisierbar ist.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Hauptachsen der Metallinseln parallel zueinander ausgerichtet sind, um die Kopplung der plasmonischen Resonanzen zwischen den einzelnen Metallinseln entlang der Hauptachsen definiert einzusetzen.

Ferner sieht eine weitere Ausgestaltung vor, dass der Abstand zwischen den Rändern zweier direkt benachbarter Metallinseln entlang der Richtung ihrer Hauptachsen kleiner ist als die Länge der Hauptachse der jeweiligen Metallinsel. Hierdurch wird eine asymmetrische Abstandsverteilung zwischen den einzelnen Metallinseln erzeugt, wobei der Abstand zwischen den Rändern zweier benachbarter Metallinseln entlang der Hauptachsen kleiner ist als der Abstand entlang der Nebenachsen. Somit entsteht eine andere Kopplung der plasmonischen Resonanzen zwischen den einzelnen Metallinseln entlang der Hauptachsen. Diese Kopplung führt sowohl zu einer spektralen Verbreiterung als auch zu einer Rotverschiebung der plasmonischen Resonanz, so dass eine erhöhte Verstärkung im IR-Spektralbereich erreicht wird .

Dabei sollte Abstand zwischen den Rändern zweier benachbarter Metallinseln entlang der Hauptachsen bevorzugt kleiner als 10 nm sein, um den SEI RA- Effekt optimal zu nutzen.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Hauptachsen der Metallinseln ent- lang einer Vorzugsrichtung ausgerichtet sind, um polarisationsabhängige Messung, die auf bestimmte Anwendungen optimiert sind, zu ermöglichen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Schnitt,

Fig. 2 ein vergrößertes Detail A in Figur 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines isotropen Metallinselfilmes auf der Platte der Vorrichtung und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines an isotropen Metallinselfilmes auf

der Platte der Vorrichtung.

Eine Vorrichtung zur Detektion und Charakterisierung von organischen Molekülen in einem flüssigen Probenvolumen im Mikro- und Submikroliter- Bereich mittels oberflächenverstärkter Raman- und Infrarot- und Oberflächen- Plasmonenresonanzspektroskopie ist allgemein mit 1 bezeichnet. Diese Vorrichtung 1 ist insbesondere für die folgenden Spektroskopieverfahren geeignet:

RR (resonante Ramanspektroskopie), SERS (surface-enhanced Raman

spectroscopy), SECARS (surface-enhanced coherent anti-Stokes Raman

spectroscopy) und SEIRA (surface-enhanced infrared absorption) und SPR.

Die Vorrichtung 1 weist zunächst einen Mikrofluidikchip 2 auf, in dessen Oberseite wenigstens ein Mikrofluidikkanal 3 vorgesehen ist. Dieser Mikrofluidikkanal 3 steht beim Ausführungsbeispiel an seinem Eingang mit einem von der Unterseite des Mikrofluidikchips 2 zugänglichen Einlass 4 und am Ausgang mit einem von der Unterseite des Mikrofluidikchips 2 zugänglichen Auslass 5 in Verbindung, so dass sich eine Durchströmungsrichtung für die flüssige Probe im Mikrofluidikkanal 3 im Sinne der Pfeile 6 ergibt. Wenigstens der Bereich des Mikrofluidikkanals 3, vorzugsweise aber der gesamte Mikrofluidikchip 2, sind an der Oberseite von einer als Messfenster dienenden transparenten Platte 7 abgedeckt. Diese zumindest für Infrarotlicht und sichtbares Licht transparente Platte 7 ist auf der dem Mikrofluidikkanal 3 zugewandten Seite mit einem Metallinselfilm beschichtet, die Metallinseln sind mit 8 bezeichnet und schematisch angedeutet.

Diese Metallinseln 8, die vorzugsweise aus Gold oder Silber oder auch aus Platin bestehen, können auf unterschiedliche Weise auf die Unterseite der Platte 7 aufgebracht sein, z.B. durch Aufdampfen aus Hochvakuum. Alternativ können auch kolloidale Lösungen oder Ätzverfahren verwendet werden.

Zur ortsfesten Verbindung der Platte 7 mit dem Mikrofluidikchip 2 ist eine wan- nenförmige Halteeinrichtung 9 vorgesehen, an deren Unterseite im Bereich des Einlasses 4 eine Öffnung 10 und im Bereich des Auslasses 5 eine Öffnung 11 ausgespart sind, um die Probe zu- und abführen zu können. Im oberen Randbereich 12 der Seitenwand der Halteeinrichtung 9 sind ein oder mehrere höhenverstellbare Klemmplatten 13 vorgesehen, welche mit ihrer Unterseite klemmend an der Oberseite der Platte 7 anliegen und sowohl den Mikrofluidikchip 2 als auch die Platte 7 ortsfest in der Halteeinrichtung 9 aufnehmen.

Die Vorrichtung 1 weist darüber hinaus eine Detektionsoptik 14 auf, die unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Die Detektionsoptik 14 ist eine abbildende Optik (z.B. Linsen- oder Spiegelobjektive), die der Fokussierung des einfallenden Lichtes auf die Probe, d.h. auf die Platte 7 dient. Die einfallenden Lichtstrahlen sind mit 15 angedeutet, wobei variable Einfalls- und Ausfallswinkel möglich sind. Das an der Oberfläche des Mikrofluidikkanals 3 bzw. des Metallinselfilmes reflektierte Licht kann durch die gleiche oder eine separate Optik in Reflexion auf einen nicht dargestellten Detektor geleitet werden, die reflektierten Strahlen sind mit 16 angedeutet. Der nicht dargestellte Detektor ist Bestandteil eines ebenfalls nicht dargestellten Spektrometers, z. B. eines dispersiven oder inteferometrischen Spektrometers. Der Metallinselfilm weist eine Vielzahl von Metallinseln 8 auf, wobei die Größenordnung dieser Metallinseln 8 z.B. zwischen 20 und 100 nm liegt, während die Breite des Mikrofluidikkanals 3 etwa 100 pm beträgt. Die Anordnung der Metallinseln 8 ist grundsätzlich beliebig. Der Bedeckungsgrad der Unterseite der Platte 7 liegt bei maximal etwa 80 bis 90 %.

Um den Metallinselfilm sowohl für Raman als auch für Infrarot nutzen zu können, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten.

Eine erste Möglichkeit ist in Figur 3 dargestellt. Der Inselfilm ist isotrop ausgebildet. Das Substrat zeigt in diesem Fall sowohl eine Raman als auch eine Infrarot- Verstärkung. Die Polarisationsrichtung des Lichtes, welches jeweils durch einen Doppelpfeil für Infrarot (Bezugszeichen 17) und Raman (Bezugszeichen 18) angedeutet ist, ist irrelevant und kann auch unpolarisiert sein.

Eine isotrope Anordnung ist in Figur 4 dargestellt. Dabei sind eine Polarisationsrichtung für Raman (Bezugszeichen 18) und eine Richtung für Infrarot (Bezugszeichen 17) optimiert. In Figur 4 sind somit die beiden Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander. Es können aber auch andere, nicht zueinander senkrecht liegende Richtungen sein, so lange die eine für Infrarot und die andere für Raman optimal ausgebildet ist.

Zur Durchführung einer Probenanalyse wird das Probenvolumen im Mikro- oder sogar nur Submikroliterbereich durch den Mikrofluidikkanal 3 gefördert. Währenddessen kann das einzige Probenvolumen nacheinander mit verschiedenen Raman- und Infrarotmikroskopen gemessen werden oder auch im gleichen Aufbau für Raman und Infrarot.

Aufgrund des Aufbaus der Vorrichtung 1 können herkömmliche Mikrofluidikchips 2 aus Kunststoff (bevorzugt Polymermaterial) oder Glas verwendet werden. Die transparente Platte 7 muss für Infrarot und sichtbares Licht transparent sein und besteht bevorzugt aus Calciumfluorid (CaF ₂ ), Bariumfluorid (BaF ₂ ) oder Zinksele- nid (ZnSe). Selbstverständlich sind auch andere für Infrarot und sichtbares Licht transparente Materialien möglich. Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Mikrofluidikchip

3 Mikrofluidikkanal

4 Einlass

5 Auslass

6 Pfeile

7 Platte

8 Metallinsel

9 Halteeinrichtung

10 Öffnung

11 Öffnung

12 oberer Randbereich

13 Klemmplatte

14 Detektionsoptik

15 einfallende Lichtstrahlen

16 reflektierte Lichtstrahlen

17 Infrarot- Polarisationsrichtung

18 Raman-Polarisationsrichtung

19 Abstand zwischen den Rändern zweier direkt benachbarter Metallinseln entlang der Richtung ihrer Nebenachsen

20 Abstand zwischen den Rändern zweier direkt benachbarter Metallinseln entlang der Richtung ihrer Hauptachsen