DE102007019166A1 - Process for the preparation of substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy - Google Patents

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    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65Raman scattering
    • G01N21/658Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Substrats für die Oberflächen-verstärkte ("surface enhanced") Raman-Spektroskopie mit den Schritten Herstellen eines Sols aus einer stabilisierten, Edelmetall-Ionen enthaltenden Lösung und einer Precursor-Lösung für ein Titanoxid, Beschichten eines wärmebeständigen Trägers durch Aufbringen des Sols mit einem Sol-Gel-Verfahren, Pyrolysieren und Sintern der Schicht unter Auschluss von Licht und Beleuchten der unter Lichtausschluss hergestellten Schicht wenigstens auf Teilflächen unter gleichzeitigem Erwärmen wenigstens der beleuchteten Teilflächen der Schicht.A process for producing a substrate for surface enhanced Raman spectroscopy comprising the steps of preparing a sol from a stabilized noble metal ion-containing solution and a precursor solution for a titanium oxide, coating a heat-resistant support by depositing the substrate Sols with a sol-gel process, pyrolysis and sintering of the layer with exclusion of light and illuminating the layer produced under exclusion of light at least on partial surfaces while heating at least the illuminated partial surfaces of the layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Substraten für die Oberflächen-verstärkte („Surface Enhanced") Raman-Spektroskopie.The The invention relates to a process for the production of substrates for the surface-reinforced ("Surface Enhanced ") Raman spectroscopy.

Unter den bekannten Verfahren zur Untersuchung von Materialeigenschaften spielt die Raman-Spektroskopie eine wichtige Rolle. Als Raman-Streuung bezeichnet man die inelastische Streuung von Licht an Materie (z. B. Kristalle oder Moleküle), bei der ein Anteil der eingestrahlten Photonenenergie zur Anregung von Gitter- oder Molekülschwingungen führt („Stokes-Streuung", falls die Probe vor dem Lichteinfall im Grundzustand war). Auch der umgekehrte Energieübertrag und damit eine Blauverschiebung des gestreuten Lichts („Anti-Stokes") tritt – wenngleich seltener – auf, Die Energieüberträge sind charakteristisch für das Material und führen zu definierten Wellenlängenverschiebungen des Raman-gestreuten Lichts.Under the known method for the investigation of material properties Raman spectroscopy plays an important role. As Raman scattering refers to the inelastic scattering of light to matter (z. As crystals or molecules), in which a proportion of the irradiated Photon energy for excitation of lattice or molecular vibrations performs ("Stokes scattering" if the sample is present the light incidence was in the ground state). Also the reverse energy transfer and thus a blue shift of the scattered light ("anti-Stokes") occurs - albeit less frequently - The energy transfers are characteristic of the material and lead to defined wavelength shifts of the Raman-scattered Light.

Anhand von Raman-Spektren ist insbesondere die Identifizierung von Molekülen möglich, die in geringer Konzentration in einer Lösung vorkommen. Damit ist Raman-Spektroskopie grundsätzlich ein sehr robustes Verfahren zur chemischen Analytik etwa in der Biotechnologie, Pharmazie („drug discovery"), medizinischen Diagnose oder in der Umweltüberwachung.Based Raman spectra in particular is the identification of molecules possible in low concentration in a solution occurrence. This is basically Raman spectroscopy a very robust process for chemical analysis in about the Biotechnology, pharmacy ("drug discovery"), medical Diagnosis or in environmental monitoring.

Das klassische Raman-Signal ist allerdings sehr schwach, denn nur weniger als 0,001% des eingestrahlten Lichts wird Raman-gestreut. Doch bereits 1974 beschrieben Fleischmann und McQuillan (Chem. Phys. Lett. 26 (1974) 123) die dramatische Steigerung der Signalausbeute bei der Analyse von Pyridin auf einer rauen Silberelektrode als Substrat. In späteren Arbeiten wurde bestätigt, dass bereits die Anwesenheit einer Metalloberfläche in der Nähe eines zu Schwingungen anzuregenden Moleküls ausreicht, das Raman-Signal um mehrere Größenordnungen zu verstärken. Der Grund liegt in der Möglichkeit zur resonanten Anregung von Plasmonen im Metall, was dann über elektrische Feldwechselwirkung (Dipol-Dipol) wiederum zur verstärkten Anregung von Molekülschwingungen führt. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn lokale elektrische Feldspitzen ausgebildet werden können („Hot Spots"), so dass keine glatten Metallflächen, sondern vorzugsweise raue Oberflächen verwendet werden. Theoretisch lassen sich so Signalverstärkungen bis 1012 erzielen („Surface Enhanced Raman” – SER). Auf heute kommerziell erhältlichen SER-Substraten sind Verstärkungen von etwa 106 üblich.However, the classical Raman signal is very weak, because only less than 0.001% of the incident light is Raman scattered. But already described in 1974 Fleischmann and McQuillan (Chem. Phys. Lett. 26 (1974) 123) the dramatic increase in signal yield in the analysis of pyridine on a rough silver electrode as a substrate. In later work, it was confirmed that even the presence of a metal surface in the vicinity of a molecule to be excited to vibrate is sufficient to amplify the Raman signal by several orders of magnitude. The reason lies in the possibility of resonant excitation of plasmon in the metal, which then leads via electric field interaction (dipole-dipole) in turn to the enhanced excitation of molecular vibrations. It has proven to be advantageous if local electric field peaks can be formed ("hot spots"), so that no smooth metal surfaces, but preferably rough surfaces, are used.Theoretically, signal intensifications of up to 10 12 can be achieved ("Surface Enhanced Raman"). - SER) Reinforcements of about 10 6 are common on today commercially available SER substrates.

Neben rauen Oberflächen sind auch glatte, nichtmetallische Flächen mit vereinzelten Metallspitzen (z. B. adsorbierte Cluster) geeignet, eine SER-Verstärkung hervorzurufen. Grundvoraussetzung für den SER-Effekt ist auch hier, dass die Metallspitzen Plasmonenresonanz im Wellenlängenbereich von sichtbarem Licht (VIS) bis Infrarot (IR) zeigen, der mit gängigen Laser angeregt werden kann. Dies ist vor allem für Edelmetalle wie Gold und Silber der Fall, die bevorzugt auch als Nanopartikelmaterial benutzt werden, um SER-aktive Substrate herzustellen.Next rough surfaces are also smooth, non-metallic surfaces with isolated metal tips (eg adsorbed clusters) suitable, to cause a SER gain. prerequisite for the SER effect is also here that the metal tips Plasmon resonance in the wavelength range of visible Light (VIS) to infrared (IR) show, with common Laser can be stimulated. This is especially true for precious metals Gold and silver are the case, which also prefers as a nanoparticle material used to make SER-active substrates.

Viele bekannte Verfahren zur Herstellung von SER-Substraten verfolgen das Aufbringen von Metallkolloiden auf nichtmetallische Substrate, z. B. Halbleiter oder Glas, etwa durch Aufträufeln und Trocknen von Kolloid-Suspensionen, durch Laserdeposition oder durch Aufdampfen von Metall unter Vakuum auf ein maskiertes oder abgeschattetes Substrat. Ziel ist das Erzeugen gleichmäßig großer, über die Fläche des Substrats gleichmäßig verteilter Metallpartikel in möglichst regelmäßiger Anordnung. Aus der Literatur ist bekannt ( Lidong Qi et al. PNAS 103(6), 2006, pp. 13300–13303 ), dass Teilchendurchmesser um 120 nm und mittlere Teilchenabstände um 30 nm die besten SER-Verstärkungen liefern.Many known processes for the preparation of SER substrates pursue the application of metal colloids to non-metallic substrates, e.g. As semiconductor or glass, such as by dropping and drying of colloid suspensions, by laser deposition or by vapor deposition of metal under vacuum on a masked or shadowed substrate. The aim is to produce evenly spaced, over the surface of the substrate uniformly distributed metal particles in a regular arrangement. From the literature is known ( Lidong Qi et al. PNAS 103 (6), 2006, pp. 13300-13303 ) that particle diameters around 120 nm and mean particle spacings around 30 nm provide the best SER gains.

Als ein Beispiel für eine Maskierung, die besonders geeignet für SER-Substrate scheint, sei die Nanosphere-Lithographie (NSL) erwähnt. Dabei werden Kugeln mit mehreren 100 Nanometern Durchmesser auf dem Substrat möglichst in einer Monolage mit dichter Kugelpackung angeordnet. Danach wird Metall aufgedampft und die Kugeln werden entfernt. In den Zwischenräumen haben sich hiernach grob dreieckige, regelmäßig angeordnete Metallinseln gebildet, die als Metallspitzen für SER fungieren können.When an example of a masking that is particularly suitable for SER substrates seems to be the nanosphere lithography (NSL) mentioned. In the process, balls with several 100 nanometers are used Diameter on the substrate if possible in a monolayer arranged with tight ball packing. Thereafter, metal is evaporated and the balls are removed. In the interstices have hereafter roughly triangular, regularly arranged Metal islands that act as metal tips for SER can.

Natürlich ist die Verwendung von Templates mit Strukturgrößen auf der Nanometerskala immer besonders aufwendig. Konkret bei der NSL besteht z. B. das Problem, die Bildung multipler Lagen der Kugeln zu verhindern.Naturally is the use of templates with structure sizes always particularly expensive on the nanometer scale. Specifically in the NSL exists z. As the problem, the formation of multiple layers of balls to prevent.

Um die SER-Spektroskopie zu einem weit verbreiteten Standard der Stoffspuren-Analyse fortentwickeln zu können, sollten Substrate mit folgenden Eigenschaften verfügbar sein:

  • – Günstig produzierbar in großer Anzahl;
  • – Hervorragend reproduzierbar hinsichtlich SER-Signalverstärkung;
  • – Chemisch inert bzw. robust gegen aggressive Chemikalien
  • – Arrays von SER-Substraten sollten mit geringem Aufwand herstellbar sein.
In order to further develop SER spectroscopy into a widely used standard of trace analysis, substrates with the following properties should be available:
  • - Conveniently produced in large numbers;
  • - Excellent reproducibility in terms of SER signal amplification;
  • - Chemically inert or robust against aggressive chemicals
  • - Arrays of SER substrates should be produced with little effort.

Die Anforderung einer preisgünstigen Fertigung lässt derzeit alle Template-Methoden zumindest für die Massenfertigung nicht aussichtsreich erscheinen. Vielmehr wird man sich mit dem Erzeugen unregelmäßig angeordneter, aber doch zumindest statistisch gleichmäßig verteilter Metallpartikel auf einem Nichtmetall begnügen, um den Aufwand zu begrenzen.The Requirement of a low-cost production leaves currently all template methods, at least for mass production not promising. Rather, one will deal with the Create irregularly arranged, but still at least statistically evenly distributed metal particles on a non-metal content to limit the effort.

Die Druckschrift WO 2006/060734 A2 verfolgt diesen Ansatz und schlägt vor, die Metallpartikel erst in situ auf dem Substrat wachsen zu lassen – und zwar aus Metallionen, die sich von vornherein in einer das Substrat bildenden Matrix befinden. Dazu werden die Metallionen (z. B. Gold) einer Precursor-Lösung für ein geeignetes Oxid (z. B. Siliziumdioxid) hinzu gegeben, die dann in gleiche Portionen aufgeteilt und bei Umgebungstemperatur für 12 bis 48 Stunden getrocknet wird. Diese Pellets werden in zwei Schritten mit einem Reduktionsmittel behandelt, wobei zuerst die Metallionen schnell reduziert werden, damit sie Partikelwachstumskerne auf der Pelletoberfläche bilden, so dass in der sich anschließenden schwächeren Reduktionsphase (Dauer: bis zu 12 Stunden) Partikel an diesen Kernen allmählich wachsen. Die WO 2006/060734 A2 legt großen Wert darauf, dass etwa gleich große („monodisperse-sized”) Metallpartikel entstehen, die sich auf der Oberfläche des Matrixsubstrats befinden und nicht darin eingebettet sind.The publication WO 2006/060734 A2 pursues this approach and proposes that the metal particles first grow in situ on the substrate - namely from metal ions that are located in a matrix forming the substrate from the outset. For this purpose, the metal ions (eg gold) are added to a precursor solution for a suitable oxide (eg silicon dioxide), which is then divided into equal portions and dried at ambient temperature for 12 to 48 hours. These pellets are treated with a reducing agent in two steps, whereby first the metal ions are rapidly reduced to form particle growth nuclei on the pellet surface, so that in the subsequent weaker reduction phase (duration: up to 12 hours) particles grow gradually on these nuclei. The WO 2006/060734 A2 attaches great importance to the fact that approximately equal-sized ("monodisperse-sized") metal particles are formed, which are located on the surface of the matrix substrate and are not embedded in it.

Das beschriebene Verfahren der WO 2006/060734 A2 ist deutlich zu zeitaufwendig, nicht zuletzt wegen der relativ langsamen Behandlung mit dem Reduktionsmittel, welches zusätzlich noch zu entsorgen ist.The described method of WO 2006/060734 A2 is clearly too time-consuming, not least because of the relatively slow treatment with the reducing agent, which is also still to dispose of.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine schnelle, reproduzierbare und kostengünstige Herstellung von SER-Substraten ermöglicht.It It is an object of the invention to provide a method which has a fast, reproducible and cost-effective production of SER substrates.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.The Task is solved by a method with the features of the claim 1. The dependent claims give advantageous Embodiments of the invention.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt zunächst an der Lehre der WO 2006/060734 A2 an, indem auch hier von einem zusätzliche Edelmetall-Ionen enthaltenden Precursor zur Herstellung eines Metalloxid-Films über ein Sol-Gel-Verfahren ausgegangen wird. Der Precursor muss allerdings für die Realisierung der Erfindung notwendig Titan enthalten, um eine Titanoxid-Matrix, vorzugsweise TiO2, bilden zu können.The inventive method is initially based on the teaching of WO 2006/060734 A2 in that in this case as well, an additional noble-metal-ion-containing precursor is used for the preparation of a metal oxide film via a sol-gel process. The precursor, however, must contain titanium necessary for the realization of the invention in order to be able to form a titanium oxide matrix, preferably TiO 2 .

Als Edelmetall-Ionen werden ganz besonders bevorzugt Silber-Ionen verwendet. Andere Edelmetalle sollen zwar nicht ausgeschlossen werden, doch liegen hierfür noch keine Untersuchungen vor.When Precious metal ions are very particularly preferably used silver ions. Although other precious metals should not be excluded, but there are no studies available for this.

Die Erfindung bildet das bekannte Verfahren nun in unerwarteter Weise fort, indem der Silber-Ionen enthaltende Titan-Precursor zunächst auf ein wärmebeständiges Substrat (z. B. Glas, Halbleiter, Metall) mit einem Sol-Gel-Verfahren (insbesondere Schleudern, Sprühen, Tauchen) aufgebracht und dort umgehend unter Lichtausschluss pyrolysiert und gesintert wird. Nach der Wärmebehandlung ist die Schicht trocken und hart und weitgehend resistent gegenüber chemischem Angriff. Sie weist praktisch keine Silber-Nanopartikel auf der Oberfläche auf und eignet sich somit nicht als SER-Substrat. Eine weitere Bearbeitung nach der Lehre der WO 2006/060734 A2 ist auch nicht geeignet, dies zu verbessern. Die Schicht ist bei Aufbewahrung unter Lichtausschluss sehr gut lagerfähig.The invention now unexpectedly continues the known process by first subjecting the silver-ion-containing titanium precursor to a heat-resistant substrate (eg glass, semiconductor, metal) using a sol-gel process (in particular spinning, spraying, Diving) is applied there and immediately pyrolyzed with exclusion of light and sintered. After the heat treatment, the layer is dry and hard and largely resistant to chemical attack. It has virtually no silver nanoparticles on the surface and is therefore not suitable as a SER substrate. Another processing according to the doctrine of WO 2006/060734 A2 is also not suitable to improve this. The layer is very easy to store when stored in the dark.

Wird die silberhaltige Titanoxid-Schicht nunmehr unter ausreichender Erwärmung intensiv beleuchtet, so werden in der Matrix Elektron-Loch-Paare erzeugt gemäß

Figure 00040001
If the silver-containing titanium oxide layer is now intensively illuminated with sufficient heating, electron-hole pairs are generated in the matrix according to FIG
Figure 00040001

Anwesende Silber-Ionen tendieren stark zur Aufnahme der freigesetzten Elektronen. Ag+ + 1e → Ag – Metall Present silver ions have a strong tendency to absorb the released electrons. Ag + + 1e - → Ag - metal

Es bilden sich kleinste Silberpartikel, die in der zugleich erwärmten Matrix eine gewisse Beweglichkeit aufweisen. Sie können sich durch Diffusion auch zu größeren Partikeln verbinden. Silber in unmittelbarer Nähe der Schichtoberfläche tritt durch diese hindurch und bildet Silber-Nanopartikel auf der Oberfläche. Kühlt das nunmehr entstandene Silber-Titanoxid-Nanokomposit wieder auf Umgebungstemperatur ab, wird die Silberpartikel-Verteilung praktisch „eingefroren". Die mit Licht und Wärme behandelte, ursprünglich SER-inaktive Schicht eignet sich dann als SER-Substrat und zeigt dabei einen Verstärkungsfaktor, der mit kommerziell erhältlichen Substraten konkurrieren kann.It smallest particles of silver form, which are heated in the same time Matrix have a certain mobility. You can by diffusion also to larger particles connect. Silver in the immediate vicinity of the layer surface passes through them and forms silver nanoparticles on the Surface. Cools the now resulting silver-titania nanocomposite back to ambient temperature, the silver particle distribution becomes practically "frozen" with light and warmth treated, originally SER-inactive layer is suitable then as SER substrate, showing a gain factor, which compete with commercially available substrates can.

Die Erfindung wird im Folgenden näher erläutert anhand eines Ausführungsbeispiels und an den zugehörigen Figuren. Dabei zeigt:The The invention is explained in more detail below with reference to FIG an embodiment and to the associated Characters. Showing:

1 eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme der Titanoxid-Schicht, die die höchste gemessene SER-Aktivität aufweist, mit den darauf befindlichen Silberpartikeln; 1 a scanning electron micrograph of the titanium oxide layer, which has the highest measured SER activity, with the silver particles thereon;

2 die Ergebnisse zweier Raman-Messungen eines bekannten Farbstoffes (R6G), einmal auf dem erfindungsgemäßen Substrat (obere Kurve) sowie auf dem noch nicht belichteten, unter Lichtausschluss pyrolysierten und gesinterten Substrat. 2 the results of two Raman measurements of a known dye (R6G), once on the substrate according to the invention (upper curve) and on the not yet exposed, with exclusion of light pyrolyzed and sintered substrate.

Es folgt ein Ausführungsbeispiel, das auf die Figuren Bezug nimmt.It follows an embodiment, which refers to the figures takes.

Zunächst wird eine TiO2-Ag Precursorlösung (Sol) hergestellt. Der Silberanteil soll zwischen 10% und 60% Massenanteil bezogen auf die Gesamtmasse der (nach Pyrolyse und Sintern) getrockneten Schicht betragen. Vorzugsweise wird der Ag-Massenanteil zwischen 30% und 60% eingerichtet. Im nachfolgenden Beispiel beträgt er etwa 50%, was als besonders vorteilhaft anzusehen ist.First, a TiO 2 -Ag precursor solution (sol) is prepared. The silver content should be between 10% and 60% by weight based on the total mass of the (after pyrolysis and sintering) dried layer. Preferably, the Ag mass fraction is established between 30% and 60%. In the following example, it is about 50%, which is considered to be particularly advantageous.

Für die Herstellung von 100 ml einer ca. 0,6 molaren Lösung werden zuerst 10 ml 2-Methoxyethanol und Acetylaceton in einem Becherglas vorgelegt. Dann wird das Ti-isopropoxid zugegeben, wonach man 30 Minuten rühren lässt. Als eine zweite Lösung werden 10 ml 2-Methoxyethanol mit Wasser gemischt. Nach 30-minütigem Rühren wird die wasserhaltige Lösung zu dem Ti-Acetylaceton-Komplex gegeben. Erneut lässt man 30 Minuten rühren. Für die Silberlösung werden 10 ml 2-Methoxyethanol in einem Becherglas vorgelegt und AgNO3 und Pyridin (als Stabilisator) dazugegeben. Diesen Komplex muss man ebenfalls 30 Minuten rühren lassen. Danach kann die Silberlösung zu der stabilisierten und hydrolysierten Titan- Lösung zugegeben werden. Nach erneutem 30-minütigem Rühren wird zu der Lösung 2 g Polyethylenglycol 400 zugegeben, mit 2-Methoxyethanol auf 100 ml aufgefüllt und anschließend gefiltert. Das Polyethylenglycol dient der rissfreien Schichtausbildung. Die genauen Einwaagen, inkl. Massen-, Volumen- oder Molangaben sind der folgenden Tabelle zu entnehmen. Produkt Edukt Vtot, ml mol g ml Molaritaet: 0,6 TiO2-50%Ag TiIVPropoxid Ti(OCHMet2)4 100 0,0345 9,82767 10,23716 Ti: 57,5 At% AgNO3 - 0,0255 4,33245 0 Ti: 50,05557 Gew% Methoxyethanol - 0,68637 52,23245 54,18304 3 × 15,35186 + 8,12746 ml H2O - 0,138 2,48400 2,484 - Acetylaceton - 0,01725 1,72707 1,67526 1,67526 ml für TiIVPr Pyridin - 0,3825 30,25575 29,65063 29,65063 ml für AgNO3 PEG400 - - 2,00000 1,76991 -

  • Ti-iso. = Ti-isopropoxid
  • Hacac = Acetylaceton
For the preparation of 100 ml of an approximately 0.6 molar solution, 10 ml of 2-methoxyethanol and acetylacetone are initially charged in a beaker. Then the Ti isopropoxide is added, followed by stirring for 30 minutes. As a second solution, mix 10 ml of 2-methoxyethanol with water. After stirring for 30 minutes, the hydrous solution is added to the Ti-acetylacetone complex. Let it stir again for 30 minutes. For the silver solution, 10 ml of 2-methoxyethanol are placed in a beaker and AgNO 3 and pyridine (as stabilizer) are added. This complex must also be stirred for 30 minutes. Thereafter, the silver solution may be added to the stabilized and hydrolyzed titanium solution. After stirring again for 30 minutes, 2 g of polyethylene glycol 400 are added to the solution, made up to 100 ml with 2-methoxyethanol and then filtered. The polyethylene glycol serves to crack-free layer formation. The exact weights, including mass, volume or molar information can be found in the following table. product reactant Vtot, ml mol G ml Molarity: 0.6 TiO2-50% Ag TiIV Propoxide Ti (OCHMet2) 4 100 0.0345 9.82767 10.23716 Ti: 57.5 at% AgNO3 - 0.0255 4.33245 0 Ti: 50.05557 wt% methoxyethanol - 0.68637 52.23245 54.18304 3 × 15.35186 + 8.12746 ml H2O - 0.138 2.48400 2,484 - acetylacetone - 0.01725 1.72707 1.67526 1.67526 ml for TiIVPr pyridine - .3825 30.25575 29.65063 29.65063 ml for AgNO3 PEG400 - - 2.00000 1.76991 -
  • Ti-iso. = Ti isopropoxide
  • Hacac = acetylacetone

Verwendete Stöchiometrien:Stoichiometries used:

  • – Ti-isoprop.: Hacac:H2O = 1:0,5:4 (mol)Ti-isoprop: Hacac: H 2 O = 1: 0.5: 4 (mol)
  • – AgNO3:Pyridin = 1:15 (mol)AgNO 3 : pyridine = 1:15 (mol)

Die TiO2-Ag-Schichten werden durch Aufschleudern hergestellt. Als Träger dient beispielhaft oxidiertes Silizium. Das Pyrolysieren der Schichten erfolgt dann bei 250°C. Die Endbehandlungstemperatur (Sinterschritt) liegt zwischen 450 und 550°C. Die Dicke der Schichten kann zwischen 50 und 1000 nm betragen. Bei der thermischen Behandlung muss unbedingt darauf geachtet werden, dass diese unter Aus schluss von Licht (UV bis Ende VIS) durchgeführt wird. Nur so wird jegliche unkontrollierte Silber-Ausscheidung/Reduktion vermieden.The TiO 2 -Ag layers are produced by spin coating. The carrier used is exemplified oxidized silicon. The pyrolysis of the layers is then carried out at 250 ° C. The final treatment temperature (sintering step) is between 450 and 550 ° C. The thickness of the layers can be between 50 and 1000 nm. In the case of thermal treatment, it is essential to ensure that it is carried out in the absence of light (UV to the end of VIS). Only then is any uncontrolled silver precipitation / reduction ver avoided.

Nach der Herstellung können die Substrate sofort belichtet oder ggf. auch im Dunkeln eingelagert werden. Die Belichtung kann mit praktisch allen herkömmlichen Lampen erfolgen, die Licht im Spektralbereich von 280 bis 800 nm emittieren. Die TiO2-Matrix absorbiert sehr gut im gesamten sichtbaren Bereich, weshalb TiO2 auch als Solarabsorber bekannt ist. Sofern die Lampe dabei zugleich Wärme abgibt, die die Schicht aufheizt, kann die SER-Aktivierung durch Bildung der Silberpartikel auf der Schichtoberfläche bereits in Gang gesetzt werden. Alternativ können Lichtquellen niedrigerer Leistung (z. B. Laser- oder Lumineszenzdioden) in Kombination mit einer Wärmequelle, welche eine Temperatur von bis zu 250°C erlaubt, verwendet werden.After production, the substrates can be exposed immediately or, if necessary, stored in the dark. The exposure can be done with virtually all conventional lamps that emit light in the spectral range of 280 to 800 nm. The TiO 2 matrix absorbs very well over the entire visible range, which is why TiO 2 is also known as a solar absorber. If the lamp emits heat at the same time which heats the layer, SER activation can already be initiated by forming the silver particles on the layer surface. Alternatively, lower power light sources (eg, laser or light emitting diodes) may be used in combination with a heat source that allows a temperature of up to 250 ° C.

Die Einstellung der Partikelgröße und Verteilung erfolgt durch das Zusammenwirken von Belichtung und Wärme. Die Belichtung führt zur Reduktion des Silbers von Silberoxid in elementares Silber, die Wärme zur Vergröberung der Teilchen durch Diffusion.The Adjustment of particle size and distribution takes place through the interaction of exposure and heat. The Exposure leads to the reduction of silver from silver oxide in elemental silver, the heat for coarsening the particles by diffusion.

Die Wärmezufuhr sollte zu diesem Zweck so eingerichtet werden, dass die Schicht während der Beleuchtung wenigstens Temperaturen oberhalb von 80°C aufweist. Zu bevorzugen sind Temperaturen zwischen etwa 150°C und 250°C. Es hat sich indes als nicht vorteilhaft erwiesen, während der Beleuchtung Temperaturen oberhalb von 250°C zu verwenden, weil dann die Beweglichkeit der Silberpartikel zu groß würde. Es könnten sich recht ungleichmäßige Partikelverteilungen auf der Schichtoberfläche einstellen, die die SER-Aktivität beeinträchtigen.The Heat input should be set up for this purpose that the layer during lighting at least temperatures above 80 ° C. Preferable are temperatures between about 150 ° C and 250 ° C. It has become meanwhile proved not to be beneficial during the lighting Temperatures above 250 ° C to use, because then the mobility of the silver particles would be too big. It could be quite uneven Set particle distributions on the surface of the coating, which affect the SER activity.

Typische Parameter für die Erlangung eines für SER-Spektroskopie geeigneten Substrats sind z. B.
Grünes Licht (550 nm) bei 150°C. Belichtungszeit 1 Stunde
UV Licht (300 bis 350 nm) bei 200°C. Belichtungszeit 30 Minuten.
Typical parameters for obtaining a substrate suitable for SER spectroscopy are e.g. B.
Green light (550 nm) at 150 ° C. Exposure time 1 hour
UV light (300 to 350 nm) at 200 ° C. Exposure time 30 minutes.

Im beleuchteten Bereich der Schicht entstehen fein verteilte Silberteilchen, deren Größen und (mittleren) Abstände zueinander von der Behandlungszeit abhängen. 1 zeigt die Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Schicht, die eine Stunde mit einer Halogenlampe, Leistungsaufnahme 1000 W, aus nächster Nähe beleuchtet wird. Die Oberflächentemperatur erreicht dabei bis zu 250°C. Es ist gut zu erkennen, dass sich eine relativ breite Partikelgrößenverteilung (Durchmesser ca. 100 ± 40 nm) einstellt, die jedoch überall auf dem Substrat in etwa gleicher Weise auftritt. Ebenso sind die mittleren Abstände der Partikel zueinander relativ klein und über die Fläche hinweg nahezu gleich. Es sollte betont werden, dass die hier erzeugten SER-Substrate alles andere als „monodisperse-sized" im Sinne der WO 2006/060734 A2 sind, was bei den wesentlichen Unterschieden der Verfahren auch nicht überrascht.In the illuminated area of the layer, finely distributed silver particles are formed, the sizes and (average) distances of which depend on the treatment time. 1 shows the scanning electron micrograph of a layer which is illuminated for one hour with a halogen lamp, power consumption 1000 W, from close range. The surface temperature reaches up to 250 ° C. It is easy to see that a relatively broad particle size distribution (diameter about 100 ± 40 nm) sets in, but that occurs in almost the same way everywhere on the substrate. Likewise, the mean distances between the particles are relatively small and almost the same across the surface. It should be emphasized that the SER substrates produced here are anything but "monodisperse-sized" in the sense of WO 2006/060734 A2 which is not surprising given the significant differences between the methods.

Die SER-Aktivität der Schicht aus 1 kann mit einem Argon-Ramanspektrometer bei einer Wellenlänge von 514,5 nm beurteilt werden. Ein Farbmolekül (R6G, 10–6 mol), dessen Ramanlinien bekannt sind, wird analysiert und liefert als Ergebnis die 2, in der die Raman-Verschiebung als Änderung der Wellenzahl gegenüber der einfallenden Strahlung (k = 2π/λ = 122122 cm–1 ) angegeben ist. Senkrecht gestrichelt sind die bekannten Linienpositionen dargestellt. Die untere Messkurve wird auf dem noch unbelichteten, Silber-Ionen enthaltenden Titanoxid aufgezeichnet und zeigt praktisch kein Raman-Signal. Die obere Kurve entsteht auf der Schicht aus 1 und zeigt deutlich das Raman-Spektrum der Probe. Die Verstärkungsfaktoren liegen im Bereich von 5 × 106 für das Substrat aus 1 und erreichen somit maximal für Großflächen-Ramanspektroskopie erreichbare Werte.The SER activity of the layer 1 can be evaluated with an argon Raman spectrometer at a wavelength of 514.5 nm. A color molecule (R6G, 10 -6 mol) whose Raman lines are known is analyzed to yield the 2 in which the Raman shift is given as a change in the wavenumber with respect to the incident radiation (k = 2π / λ = 122122 cm -1 ) . The dashed lines show the known line positions. The lower trace is recorded on the still unexposed, silver-ion-containing titanium oxide and shows virtually no Raman signal. The upper curve emerges on the layer 1 and clearly shows the Raman spectrum of the sample. The amplification factors are in the range of 5 × 10 6 for the substrate 1 and thus reach maximum values achievable for large-area Raman spectroscopy.

Weil das unbelichtete, unter Ausschluss von Licht hergestellte Substrat mit dem darauf befindlichen Film keine nennenswerte SER-Aktivität zeigt, wird ferner vorgeschlagen, ein Array von SER-aktiven Spots auf diesem Film zu erzeugen, indem man die erfindungsgemäße Behandlung mit Licht und Wärme mittels einer optischen Maske durchführt. Prinzipiell ist jede Licht absorbierende oder reflektierende Maskierung geeignet (abhängig von der Lichtquelle). Im einfachsten Fall kann man eine simple, mechanisch gefertigte Schablone mit Aussparungen auf das Substrat legen, die man nach der Belichtung wieder entfernt. Wenn sehr kleine Strukturgrößen gewünscht werden, kann man auf bekannte Maskierungstechniken z. B. aus der Halbleiter-Technologie zurückgreifen, die sich mit einer Mikrostruktur versehen lassen. Die Maskierungsschicht kann nach der Bearbeitung z. B. chemisch entfernt werden. Sie kann aber ggf. auch auf dem Substrat verbleiben, wenn sie selbst nicht zur SER-Verstärkung beiträgt. Die Bearbeitung aller separater Spots (nicht-maskierte Teilflächen des Substrats) erfolgt vorzugsweise simultan (ggf. Licht mittels Linsen auffächern), so dass die Bearbeitungsparameter identisch sind.Because the unexposed, light-excluded substrate with the film on it no significant SER activity It is further proposed to provide an array of SER-active spots to produce on this film by the inventive Treatment with light and heat by means of an optical Perform mask. In principle, every light is absorbing or reflective masking suitable (depending on the Light source). In the simplest case, you can do a simple, mechanical Place template with recesses on the substrate you are removed after the exposure. When very small feature sizes can be desired, you can on known masking techniques z. B. from semiconductor technology, the be provided with a microstructure. The masking layer can after processing z. B. be removed chemically. she can but may also remain on the substrate if they are not contributes to SER amplification. The editing all separate spots (non-masked faces of the Substrate) is preferably carried out simultaneously (if necessary, light by means of lenses fanned), so that the processing parameters are identical are.

Erwartungsgemäß zeigt ein derart hergestelltes Array sehr gute Übereinstimmung der Eigenschaften verschiedener Spots. Selbstverständlich kann jedes Array auch in Einzelprobenträger zerschnitten werden. Da die Sol-Gel-Technik ohnehin für die großflächige Beschichtung ausgelegt ist, wird die Massenfertigung von SER-Substraten voraussichtlich darauf hinauslaufen, relativ große SER-Spot-Arrays herzustellen und nach Bedarf zu zerschneiden.As expected, an array made in this way shows very good agreement of the properties of different spots. Of course, each array can also be cut into individual sample carriers. There the sol-gel technique is designed for large area coating anyway, mass production of SER substrates is likely to result in making relatively large SER spot arrays and cutting them as needed.

Zusammengefasst weist das erfindungsgemäße Verfahren folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf:

  • • Es kommen nur industrielle Standardprozesse (Sol-Gel-Beschichtung, Pyrolyse, Maskierung, Belichtung) zum Einsatz, die mit entsprechend hoher Geschwindigkeit durchführbar sind.
  • • Titanoxid-Schichten kommen vielfach zum Einsatz und sind als chemisch stabil bekannt. Entsorgungskanäle für gebrauchte SER-Substrate sind somit auch bereits vorhanden.
  • • Abgesehen vom unvermeidlichen Ausbrennen der Organik bei der Pyrolyse werden keine weiteren Chemikalien benutzt und freigesetzt, d. h. es entsteht kein neues Entsorgungsproblem.
  • • Die Reproduzierbarkeit der SER-Substrate ist – wie immer – eine Frage der präzisen Prozesskontrolle. Die hier eingesetzten Prozesse werden von der Industrie ausnahmslos beherrscht und erfordern keine neuen Entwicklungen.
In summary, the method according to the invention has the following advantages over the prior art:
  • • Only standard industrial processes (sol-gel coating, pyrolysis, masking, exposure) are used, which can be carried out at correspondingly high speeds.
  • • Titanium oxide layers are widely used and are known to be chemically stable. Disposal channels for used SER substrates are thus already available.
  • • Apart from the inevitable burning out of the organics during pyrolysis, no other chemicals are used and released, ie no new disposal problem arises.
  • • The reproducibility of the SER substrates is - as always - a matter of precise process control. The processes used here are all mastered by the industry and do not require any new developments.

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Claims (8)

Verfahren zur Herstellung eines Substrats für die Oberflächen-verstärkte („surface enhanced") Raman-Spektroskopie mit den Schritten: i. Herstellen eines Sols aus einer stabilisierten, Edelmetall-Ionen enthaltenden Lösung und einer Precursor-Lösung für ein Titanoxid, ii. Beschichten eines wärmebeständigen Trägers durch Aufbringen des Sols mit einem Sol-Gel-Verfahren iii. Pyrolysieren und Sintern der Schicht unter Ausschluss von Licht iv. Beleuchten der unter Lichtausschluss hergestellten Schicht wenigstens auf Teilflächen unter gleichzeitigem Erwärmen wenigstens der beleuchteten Teilflächen der Schicht.Process for the preparation of a substrate for the surface-reinforced ("surface enhanced ") Raman spectroscopy with the steps: i. Produce a sol of a stabilized, noble metal ion-containing Solution and a precursor solution for a titanium oxide, ii. Coating a heat-resistant Support by applying the sol with a sol-gel method iii. Pyrolysis and sintering of the layer in the absence of light iv. Illuminate the layer produced under exclusion of light at least on partial surfaces with simultaneous heating at least the illuminated partial surfaces of the layer. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchten der unter Lichtausschluss hergestellten Schicht auf einer Mehrzahl von räumlich getrennten Teilflächen simultan erfolgt.Method according to claim 1, characterized in that that illuminating the layer made under exclusion of light on a plurality of spatially separated subareas takes place simultaneously. Verfahren nach Anspruch 2, dass die unter Lichtausschluss hergestellte Schicht vor dem Beleuchten mit einer lichtundurchlässigen Schablone, die Aussparungen aufweist, teilweise abgedeckt wird.The method of claim 2, that under the exclusion of light prepared layer before lighting with an opaque Template that has recesses, is partially covered. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Edelmetall-Ionen Silber-Ionen verwendet werden, wobei der Silber-Massenanteil bezogen auf die Masse der getrockneten Schicht zwischen 10% und 60% eingerichtet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that used as noble metal ions silver ions be, where the silver mass fraction based on the mass of dried layer between 10% and 60% is set up. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Silber-Ionen enthaltende Lösung durch Zugabe von Pyridin stabilisiert wird.Method according to claim 4, characterized in that that the silver ion-containing solution by addition of Pyridine is stabilized. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pyrolysieren unter Ausschluss von Licht bei Temperaturen um 250°C und das Sintern unter Ausschluss von Licht bei Temperaturen zwischen 450°C und 550°C erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pyrolysis to the exclusion of Light at temperatures around 250 ° C and sintering under exclusion of light at temperatures between 450 ° C and 550 ° C he follows. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Pyrolysieren und Sintern unter Ausschluss von Licht und dem Beleuchten der unter Lichtausschluss hergestellten Schicht eine Lagerzeit unter Lichtausschluss vorgesehen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that between the pyrolysis and sintering in the absence of light and lighting under exclusion of light prepared layer provided a storage time with exclusion of light becomes. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchten der unter Lichtausschluss hergestellten Schicht unter Erwärmen wenigstens der beleuchteten Teilflächen auf Temperaturen zwischen 80°C und 250°C erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the lighting of the under light prepared layer with heating at least the illuminated Partial surfaces at temperatures between 80 ° C and 250 ° C takes place.
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