Die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS) bietet sowohl eine molekular-spezifische als auch sensitive Analyse niedermolekularer Substanzen auch in komplexen Matrices. Sie wird für umweltrelevante Fragestellungen wie die Antibiotika-Konzentration in Gewässern sowie für die Bestimmung von Metaboliten in Körperflüssigkeiten eingesetzt.

Von Dana Cialla-May // Olga Zukovskaja // Sophie Patze // Izabella Jahn // Karina Weber // Jürgen Popp

Die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS) ist als exzellente analytische Methode bekannt, da sie die molekular-spezifischen Informationen der Raman-Spektroskopie mit einer erhöhten Sensitivität verknüpft, die auf dem Einsatz plasmonisch-aktiver Metallnanostrukturen beruht. Somit ist es möglich niedermolekulare Substanzen zu bestimmen, auch in komplexen Matrices wenn die höhere Affinität der Analytmoleküle zur Metalloberfläche ausgenutzt werden kann.

Beispielsweise findet man Antibiotika-Rückstände in Trinkwasserproben sowie Oberflächenwasser, was auf einen hohen Einsatz dieser Medikamente verbunden mit einer mangelhaften Aufbereitung der Abwässer zurückzuführen ist. Aus diesem Grund wurde ein Kartuschensystem entwickelt, welches den Einsatz von strukturierten Metalloberflächen als SERS-aktive Substrate erlaubt. Am Beispiel des Antibiotikums Sulfamethoxazol (SMX) wurde eine semiquantitative Bestimmung in wässriger Umgebung durchgeführt. Als Detektionslimit kann unter Laborbedingungen eine Konzentration von 2,2·10-10mol/L und in Trinkwasserproben von 2,2·10-9mol/L angegeben werden. Die legal erlaubte Konzentration von SMX liegt weltweit im Bereich von etwa 2·10-7mol/L in Trinkwasser. Durch die Verwendung von einem mikrofluidischen Setup und die Einbettung der entsprechenden SERS-aktiven Strukturen können Messbedingungen angewendet werden, die sehr stabil sind und somit eine hohe Vergleichbarkeit erlauben. Weiterhin zeigt dieser Ansatz ein hohes Potential für eine automatisierte Probenzuführung und die Aufnahme vieler SERS-Spektren in kurzer Zeit. Weiterhin konnten Aussagen zur Orientierung des Moleküls zur Metalloberfläche gewonnen werden. Für geringe Konzentrationen im sub-nanomolaren Bereich ist der Benzamin-Ring des Moleküls parallel zur Metalloberfläche orientiert. Für höhere Konzentrationen ist der Ring senkrecht zur Metalloberfläche aufgrund des veränderten Platzbedarfs gedreht. Darüber hinaus können Aussagen zur Wechselwirkung zwischen benachbarten Molekülen getroffen werden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass SERS in einem Kartuschensystem ein hohes Potential für umweltrelevante Fragestellungen hat und für die Analyse von Antibiotika in Gewässerproben geeignet ist.

Für medizinische Fragestellungen hat sich in den letzten Jahren herauskristallisiert, dass die Kombination von SERS mit einem Lab-on-a-Chip-System sehr vielversprechend ist. Als medizinische Fragestellung wurde am Nachweis von Pyocyanin (PYO), einem Metabolit von Pseudomonas aeruginosa, in humanen Körperflüssigkeiten gearbeitet. Die Anwesenheit von PYO schließt spezifisch auf eine akute oder chronische Infektion mit P. aeruginosa. Bei einem schnellen Nachweis der Infektion können rasch notwendige Antibiotika-Therapien eingeleitet werden. Es konnte in unseren Arbeiten gezeigt werden, dass die Anwesenheit des Analyten zu einer Aggregation der SERS-aktiven Nanopartikel führt und somit kleine Konzentrationen nachgewiesen werden können. Der Analyt PYO wurde erfolgreich in wässriger Lösung im klinisch relevanten Bereich nachgewiesen, der sich von 7 bis 130 µM erstreckt. Der lineare Bereich liegt etwa bei 0,5 bis 15 µM und das Detektionslimit kann mit <0,5 µM angegeben werden. Weiterhin wurde als biologische Matrix Speichelproben von Freiwilligen verwendet, in die PYO in verschiedenen Konzentrationen eingespikt wurde. Im Fall von 2 Speichelproben konnte PYO bis zu einer Konzentration von 10 µM und für die dritte Speichelprobe bis zu einer Konzentration von 25 µM nachgewiesen werden. Die Ergebnisse stellen unter Beweis, dass PYO in komplexen biologischen Matrices nachgewiesen werden können.

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