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Hocheffizienter On-Chip Raman-Sensor

Kurzfassung

Raman Spektroskopie auf hier neuartigen, chip-basierten Systemen ermöglicht erstmals die direkte, eindeutige, schnelle und molekulare Erkennung von mehratomigen Cluster-Molekülen, bio-relevanten Aggregaten und nanoskaligen Objekten mit nicht-invasiven, optischen Methoden. Die Sensitivitätsgrenze kann bis zur Grenze der Einzelmolekül-Detektion entwickelt werden. Die Implementierung auf mikro-skalaren Si-Halbleiter-Strukturen öffnet die Tür zu schon etablierten Fertigungs- und Analysetechnologien.

Vorteile

  • Schnelle Analyse von Proben ohne Vorkenntnisse über diese zu besitzen
  • Eineindeutige, universelle Zuordnung der molekularen Probe
  • Alle Vorteile einer Chip Si Technologie neben hoher Integrationsfähigkeit in Optoelektronik

Anwendungsbereiche

  • Medizintechnik, z.B. zur schnellen Analyse von Speichelproben
  • Raumluftüberwachung
  • Hautdiagnostik zur Bestimmung von Vitaminmangel
  • In-situ Abwasseranalyse zur Diagnostik von viralen und bakteriellen Spezies

Hintergrund

In der Analytik ist die Raman-Spektroskopie ein wichtiges Werkzeug zur Analyse von Proben. Dabei wird die Probe mit einer monochromatischen Lichtquelle, also einem Laser, bestrahlt, welche beim Auftreffen molekulare Bewegung erzeugt. Das entstehende Raman-Spektrum wird untersucht und lässt Rückschlüsse über die Bestandteile der Probe zu.

Die Raman-Spektroskopie stellt im Gebiet der optischen Analytik eines der wichtigsten Werkzeuge zur Diagnostik von molekularen Einheiten bereit. Die Raman-Schwingungsspektroskopie stellt ferner nicht-invasiv die Signatur von energetisch verschiedenen Atom-Atom-Schwingungen bereit, die eineindeutig bei der Charakterisierung und Zuordnung von bekannten und noch unbekannten molekularen Spezies sind. Dabei zeigen die sogenannten Schwingungsmoden und deren energetische Lage universelle Eigenschaften, die einer Zuordnung der Detektionssignaturen und deren Interpretation eindeutig, allumfassend und über das terrestrische System hinaus, Klarheit vermitteln. In der modernen Auslegung der Raman-Spektroskopie kommen stark monochromatische Laserlichtquellen in der Anregung der Probe und siliziumbasierte Detektorflächen mit nahezu 100%‑iger Detektionseffizienz zum Einsatz. In Kombination mit hochmodernen optischen Kantenfiltern zur Unterdrückung der immer vorhandenen Rayleigh-Streuung finden sich Raman-Großgeräte in nahezu jedem Analytik-Labor für Spurendetektion, Forensik oder auch Qualitätskontrolle bei Fabrikationsprozess-Schritten.

Problemstellung

Die Skalierung und Miniaturisierung der gesamten, komplexen Raman-Technologie auf planare Systeme erreichen bei Dimensionen der halben Wellenlänge des verwandten Laserlichtes ihre real natürliche Grenze. Das Verheiraten von Lichtwellenleiter-Systemen auf Siliziumplanaren mit der Raman-Messtechnologie stellt intrinsische Herausforderungen bereit. Die Wechselwirkung der kohärenten Laserstrahlung mit Lichtwellenleitersystemen jeglicher Art bringt einen sogenannten Raman-Hintergrund im Signal hervor, das durch die Schwingungen der Siliziumatome mediiert wird. Die Trennung der von Raman-Hintergrundsignal zum molekularen Probensignal stellt eine große Ingenieursaufgabe bereit.  

Lösung

Die Miniaturisierung der optischen Messtechnologie und Integration auf siliziumbasierten Trägern hält Einzug in die Raman-Spektroskopie durch intelligent erzeugte Wellenleiterkonfigurationen, Wahl der Wellenleitermaterialien und die pfiffige optische Laser-Einkopplung und Raman-Detektion. Die Ingenieursleistung der Wissenschaftler der Universität Stuttgart ist dieser Coup erstmals gelungen. Physiologische Medien mit den zu untersuchenden molekularen Systemen können mit einem Signal-zu-Rauschverhältnis von wenigstens 2:1 über dem Raman-Hintergrundrauschen deutlich gezeigt werden.     

Abbildung 1: Beispielhaftes On-Chip-Raman-Spektroskopie-System (N. Hoppe, INT, Universität Stuttgart)
Abbildung 1: Beispielhaftes On-Chip-Raman-Spektroskopie-System (N. Hoppe, INT, Universität Stuttgart)
Exposé
Kontakt
Dr. Hans-Jürgen Eisler
Technologie-Lizenz-Büro (TLB)
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe
Telefon + 49 721 / 790 040
eisler(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
TRL4 - Technologie im Labor überprüft
Patentsituation
EP22178297 anhängig
Referenznummer
21/052TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.