Fabrikasjon av polydimetylsiloksan (PDMS)-basert fleksibelt overflateforbedret Raman-spredning (SERS) substrat for ultrasensitiv deteksjon

Summary

Denne protokollen beskriver en fabrikasjonsmetode for et fleksibelt substrat for overflateforbedret Raman-spredning. Denne metoden har blitt brukt i vellykket påvisning av lave konsentrasjoner av R6G og Thiram.

Abstract

Denne artikkelen presenterer en fabrikasjonsmetode for et fleksibelt substrat designet for overflateforbedret Raman-spredning (SERS). Sølv nanopartikler (AgNPs) ble syntetisert gjennom en komplekseringsreaksjon som involverer sølvnitrat (AgNO₃) og ammoniakk, etterfulgt av reduksjon ved bruk av glukose. De resulterende AgNPene viste en jevn størrelsesfordeling fra 20 nm til 50 nm. Deretter ble 3-aminopropyltrietoksysilan (APTES) brukt til å modifisere et PDMS-substrat som hadde blitt overflatebehandlet med oksygenplasma. Denne prosessen lettet selvmontering av AgNPs på underlaget. En systematisk evaluering av virkningen av ulike eksperimentelle forhold på substratytelsen førte til utviklingen av et SERS-substrat med utmerket ytelse og en forbedret faktor (EF). Ved hjelp av dette substratet ble imponerende deteksjonsgrenser på 10-10 M for R6G (Rhodamine 6G) og ^10-8 M for Thiram oppnådd. Substratet ble vellykket brukt til å oppdage plantevernmiddelrester på epler, noe som ga svært tilfredsstillende resultater. Det fleksible SERS-substratet demonstrerer stort potensial for virkelige applikasjoner, inkludert deteksjon i komplekse scenarier.

Introduction

Overflateforbedret Raman-spredning (SERS), som en type Raman-spredning, tilbyr fordelene med høy følsomhet og milde deteksjonsforhold, og kan til og med oppnå enkeltmolekyldeteksjon 1,2,3,4. Metall nanostrukturer, som gull og sølv, brukes vanligvis som SERS-substrater for å muliggjøre stoffdeteksjon ^5,6. Elektromagnetisk koblingsforbedring på nanostrukturerte overflater spiller en betydelig rolle i SERS-applikasjoner. Metalliske nanostrukturer med varierende størrelser, former, interpartikkelavstander og komposisjoner kan aggregere for å skape mange “hotspots” som genererer intense elektromagnetiske felt på grunn av lokaliserte overflateplasmonresonanser ^7,8. Mange studier har utviklet metall nanopartikler med forskjellige morfologier som SERS-substrater, og demonstrerer deres effektivitet i å oppnå SERS-forbedring ^9,10.

Fleksible SERS-substrater finner brede applikasjoner, med nanostrukturer som er i stand til å produsere SERS-effekter avsatt på fleksible underlag for å lette direkte deteksjon på buede overflater. Fleksible SERS-substrater brukes til å oppdage og samle analytter på uregelmessige, ikke-plane eller buede overflater. Vanlige fleksible SERS-substrater inkluderer fibre, polymerfilmer og grafenoksydfilmer^11,12,13,14. Blant dem er polydimetylsiloksan (PDMS) et av de mest brukte polymermaterialene og gir fordeler som høy gjennomsiktighet, høy strekkfasthet, kjemisk stabilitet, ikke-toksisitet og vedheft^15,16,17. PDMS har et lavt Raman-tverrsnitt, noe som gjør innvirkningen på Raman-signalet ubetydelig¹⁸. Siden PDMS-prepolymeren er i flytende form, kan den herdes av varme eller lys, noe som gir en høy grad av kontrollerbarhet og bekvemmelighet. PDMS-baserte SERS-substrater er relativt vanlige fleksible SERS-substrater, som har blitt brukt i tidligere studier for å legge inn forskjellige metallnanopartikler for å oppdage forskjellige biokjemiske stoffer med eksemplarisk ytelse^19,20.

Ved utarbeidelse av SERS-substrater er fabrikasjon av nanogapstrukturer avgjørende. Fysisk avsetningsteknologi gir fordeler som høy skalerbarhet, ensartethet og reproduserbarhet, men krever vanligvis gode vakuumforhold og spesialutstyr, noe som begrenser de praktiske bruksområdene²¹. I tillegg er fabrikasjon av nanostrukturer på få-nanometerskala fortsatt utfordrende med konvensjonelle avsetningsteknikker²². Følgelig kan nanopartikler syntetisert gjennom kjemiske metoder adsorberes på fleksible gjennomsiktige filmer gjennom ulike interaksjoner, noe som letter selvmontering av metalliske strukturer på nanoskala. For å sikre vellykket adsorpsjon kan interaksjoner justeres ved fysisk eller kjemisk modifisering av filmoverflaten for å endre overflatehydrofiliteten²³. Sølv nanopartikler, sammenlignet med gull nanopartikler, viser bedre SERS-ytelse, men deres ustabilitet, spesielt deres følsomhet for oksidasjon i luft, resulterer i en rask reduksjon i SERS Enhancement Factor (EF), som påvirker substratets ytelse²⁴. Derfor er det viktig å utvikle en stabil partikkelmetode.

Tilstedeværelsen av rester av plantevernmidler har fått betydelig oppmerksomhet, noe som skaper et presserende behov for robuste metoder som raskt kan oppdage og identifisere ulike klasser av farlige kjemikalier i mat i felt^25,26. Fleksible SERS-substrater gir unike fordeler i praktiske applikasjoner, spesielt innen matsikkerhet. Denne artikkelen introduserer en metode for fremstilling av et fleksibelt SERS-substrat ved å binde syntetiserte glukosebelagte sølvnanopartikler (AgNPs) på et PDMS-substrat (figur 1). Tilstedeværelsen av glukose beskytter AgNPs, og reduserer sølvoksidasjon i luften. Substratet demonstrerer utmerket deteksjonsytelse, i stand til å oppdage Rhodamine 6G (R6G) så lavt som 10-10 M og plantevernmiddel Thiram så lavt som ^10-8 M, med god ensartethet. Videre kan det fleksible substratet brukes til deteksjon gjennom liming og prøvetaking, med mange potensielle applikasjonsscenarier.

Protocol

1. Syntese av nanopartikler Fremstilling av sølvnitratoppløsningBruk en presisjonsvekt til å måle 0,0017 g sølvnitrat av AR-kvalitet (AgNO3, se Materialtabell) og tilsett det til 10 ml avionisert (DI) vann. Rør blandingen for å lage en 10-3 mol / L AgNO3 løsning. Fremstilling av sølv-ammoniakkkompleksetTa 1 ml ammoniakkvann av AR-kvalitet (NH3. H2O, se Materialfortegnel…

Representative Results

I denne studien ble det utviklet et fleksibelt SERS-substrat sammensatt av syntetiske AgNP-er innpakket i glukose og selvmontert på PDMS ved hjelp av APTES, og oppnådde utmerket deteksjonsytelse for praktiske plantevernmiddeldeteksjonsapplikasjoner. Deteksjonsgrensene for R6G og Thiram ble begge nådd ved henholdsvis 10-10 M og 10-8 M, med en forbedringsfaktor (EF) på 1 x 10 5. Videre viste substratet ensartethet. AgNPene innpakket i glukose ble syntetisert …

Discussion

I denne studien ble et fleksibelt SERS-substrat introdusert, som bandt AgNPs til PDMS gjennom kjemisk modifikasjon og oppnådde utmerket ytelse. Under partikkelsyntese, spesielt i sølvammoniakkkomplekssyntesen (trinn 1.2), spiller fargen på løsningen en avgjørende rolle. Tilsetning av for mye ammoniakkvann dråpevis kan påvirke AgNPs syntesekvalitet negativt, noe som potensielt fører til mislykkede deteksjonsresultater. Det bør tas hensyn til substratmodifisering (trinn 2.2) under synteseprosessen; ellers kan AgNP…

Materials

Ammonia (NH3.H2O, 25%)	Beijing Chemical Works
APTES (98%)	Beyotime	ST1087
BD-20AC Laboratory Chrona Treater	Electro-Technic Products Inc.	12051A
D-glucose	Beijing Chemical Works
Environmental Scanning electron microscope (ESEM)	FEI	QUANTA 250
Raman microscope	Horiba JY	LabRAM HR Evolution
Rhodamine 6G	Beijing Chemical Works
Silicone Elastomer Base and Silicone Elastomer Curing Agent	Dow Corning Corporation	SYLGARD 184
Silver nitrate	Beijing Chemical Works
Thiram (C6H12N2S2, 99.9%)	Beijing Chemical Works