JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

تصنيع ركيزة تشتت رامان المرنة المعززة بالسطح (SERS) القائمة على البولي ديميثيل سيلوكسان (PDMS) للكشف عن الحساسية الفائقة

Published: November 17, 2023
doi:
10.3791/65595
, , , , , ,
1National Key Laboratory of Advanced Micro and Nano Manufacture Technology, School of Integrated Circuits,Peking University, 2School of Electronic Engineering and Computer Science,Peking University, 3School of Software and Microelectronics,Peking University

Summary

يصف هذا البروتوكول طريقة تصنيع لركيزة مرنة لتشتت رامان المعزز بالسطح. تم استخدام هذه الطريقة في الكشف الناجح عن التركيزات المنخفضة من R6G و Thiram.

Abstract

تقدم هذه المقالة طريقة تصنيع لركيزة مرنة مصممة لتشتت رامان المعزز بالسطح (SERS). تم تصنيع جسيمات الفضة النانوية (AgNPs) من خلال تفاعل معقد يتضمن نترات الفضة (AgNO3) والأمونيا ، يليه الاختزال باستخدام الجلوكوز. أظهرت AgNPs الناتجة توزيعا موحدا للحجم يتراوح من 20 نانومتر إلى 50 نانومتر. بعد ذلك ، تم استخدام 3-aminopropyl triethoxysilane (APTES) لتعديل ركيزة PDMS التي تمت معالجتها سطحيا ببلازما الأكسجين. سهلت هذه العملية التجميع الذاتي ل AgNPs على الركيزة. أدى التقييم المنهجي لتأثير الظروف التجريبية المختلفة على أداء الركيزة إلى تطوير ركيزة SERS ذات الأداء الممتاز والعامل المحسن (EF). باستخدام هذه الركيزة ، تم تحقيق حدود اكتشاف رائعة من 10-10 م ل R6G (Rhodamine 6G) و 10-8 م ل Thiram. تم استخدام الركيزة بنجاح للكشف عن بقايا المبيدات على التفاح ، مما أدى إلى نتائج مرضية للغاية. توضح ركيزة SERS المرنة إمكانات كبيرة لتطبيقات العالم الحقيقي ، بما في ذلك الكشف في السيناريوهات المعقدة.

Introduction

يوفر تشتت رامان المعزز بالسطح (SERS) ، كنوع من تشتت رامان ، مزايا الحساسية العالية وظروف الكشف اللطيفة ، ويمكنه حتى تحقيق اكتشاف جزيء واحد1،2،3،4. عادة ما تستخدم الهياكل النانوية المعدنية ، مثل الذهب والفضة ، كركائز SERS لتمكين اكتشاف المواد 5,6. يلعب تحسين الاقتران الكهرومغناطيسي على الأسطح ذات البنية النانوية دورا مهما في تطبيقات SERS. يمكن أن تتجمع الهياكل النانوية المعدنية ذات الأحجام والأشكال والمسافات بين الجسيمات والتركيبات المختلفة لإنشاء العديد من “النقاط الساخنة” التي تولد مجالات كهرومغناطيسية مكثفة بسبب رنين البلازمون السطحي الموضعي 7,8. طورت العديد من الدراسات جسيمات نانوية معدنية ذات أشكال مختلفة كركائز SERS ، مما يدل على فعاليتها في تحقيق تعزيز SERS 9,10.

تجد ركائز SERS المرنة تطبيقات واسعة ، مع هياكل نانوية قادرة على إنتاج تأثيرات SERS المودعة على ركائز مرنة لتسهيل الكشف المباشر على الأسطح المنحنية. تستخدم ركائز SERS المرنة للكشف عن التحليلات وجمعها على الأسطح غير المنتظمة أو غير المستوية أو المنحنية. تشمل ركائز SERS المرنة الشائعة الألياف وأغشية البوليمر وأغشية أكسيد الجرافين11،12،13،14. من بينها ، polydimethylsiloxane (PDMS) هي واحدة من أكثر مواد البوليمر استخداما وتوفر مزايا مثل الشفافية العالية وقوة الشد العالية والاستقرار الكيميائي وعدم السمية والالتصاق15،16،17. يحتوي PDMS على مقطع عرضي منخفض لرامان ، مما يجعل تأثيره على إشارة رامان ضئيلا18. نظرا لأن البوليمر المسبق PDMS في صورة سائلة ، يمكن معالجته بالحرارة أو الضوء ، مما يوفر درجة عالية من التحكم والراحة. ركائز SERS القائمة على PDMS هي ركائز SERS مرنة شائعة نسبيا ، وقد تم استخدامها في الدراسات السابقة لتضمين جسيمات نانوية معدنية مختلفة للكشف عن المواد الكيميائية الحيوية المختلفة بأداء مثالي19,20.

في إعداد ركائز SERS ، يعد تصنيع هياكل nanogap أمرا بالغ الأهمية. توفر تقنية الترسيب المادي مزايا مثل قابلية التوسع العالية والتوحيد وقابلية التكرار ولكنها تتطلب عادة ظروف فراغ جيدة ومعدات متخصصة ، مما يحد من تطبيقاتها العملية21. بالإضافة إلى ذلك ، لا يزال تصنيع الهياكل النانوية على مقياس قليل النانومتر يمثل تحديا مع تقنيات الترسيب التقليدية22. وبالتالي ، يمكن امتصاص الجسيمات النانوية التي يتم تصنيعها من خلال الطرق الكيميائية على أغشية شفافة مرنة من خلال تفاعلات مختلفة ، مما يسهل التجميع الذاتي للهياكل المعدنية على المستوى النانوي. لضمان الامتزاز الناجح ، يمكن ضبط التفاعلات عن طريق تعديل سطح الفيلم فيزيائيا أو كيميائيا لتغيير سطحهالمحبة للماء 23. تظهر جسيمات الفضة النانوية ، مقارنة بجسيمات الذهب النانوية ، أداء أفضل ل SERS ، لكن عدم استقرارها ، وخاصة قابليتها للأكسدة في الهواء ، يؤدي إلى انخفاض سريع في عامل تعزيز SERS (EF) ، مما يؤثر على أداء الركيزة24. وبالتالي ، من الضروري تطوير طريقة جسيمات مستقرة.

حظي وجود بقايا مبيدات الآفات باهتمام كبير ، مما خلق حاجة ملحة لطرق قوية قادرة على الكشف السريع وتحديد فئات مختلفة من المواد الكيميائية الخطرة في الأغذية في الحقل25,26. توفر ركائز SERS المرنة مزايا فريدة في التطبيقات العملية ، لا سيما في مجال سلامة الأغذية. تقدم هذه المقالة طريقة لإعداد ركيزة SERS مرنة عن طريق ربط جسيمات الفضة النانوية المطلية بالجلوكوز (AgNPs) على ركيزة PDMS (الشكل 1). يحمي وجود الجلوكوز AgNPs ، مما يخفف من أكسدة الفضة في الهواء. تظهر الركيزة أداء كشفا ممتازا ، قادرا على اكتشاف Rhodamine 6G (R6G) منخفضة تصل إلى 10-10 M ومبيد الآفات Thiram منخفض يصل إلى 10-8 M ، مع توحيد جيد. علاوة على ذلك ، يمكن استخدام الركيزة المرنة للكشف من خلال الترابط وأخذ العينات ، مع العديد من سيناريوهات التطبيق المحتملة.

Protocol

1. تخليق الجسيمات النانوية تحضير محلول نترات الفضةباستخدام ميزان وزن دقيق، قم بقياس 0.0017 جم من نترات الفضة من فئة AR (AgNO3، انظر جدول المواد) وأضفه إلى 10 مل من الماء منزوع الأيونات (DI). حرك الخليطلعمل محلول AgNO 3 سعة 10-3 مول / لتر. تحضير مجمع …

Representative Results

في هذه الدراسة ، تم تطوير ركيزة SERS مرنة تتكون من AgNPs الاصطناعية ملفوفة في الجلوكوز ومجمعة ذاتيا على PDMS باستخدام APTES ، مما يحقق أداء كشفا ممتازا لتطبيقات الكشف العملي عن المبيدات. تم الوصول إلى حدود الكشف عن R6G و Thiram عند 10-10 M و 10-8 M ، على التوالي ، مع عامل تحسين (EF) من 1 × 10 5. علاو…

Discussion

في هذه الدراسة ، تم إدخال ركيزة SERS مرنة ، والتي ربطت AgNPs ب PDMS من خلال التعديل الكيميائي وحققت أداء ممتازا. أثناء تخليق الجسيمات ، وتحديدا في تخليق مركب الأمونيا الفضية (الخطوة 1.2) ، يلعب لون المحلول دورا حاسما. يمكن أن تؤثر إضافة الكثير من ماء الأمونيا بالتنقيط سلبا على جودة تخليق AgNPs ، مما قد …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

يتم دعم البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (المنحة رقم 61974004 و 61931018) ، بالإضافة إلى البرنامج الوطني للبحث والتطوير الرئيسي في الصين (المنحة رقم 2021YFB3200100). تعترف الدراسة بمختبر المجهر الإلكتروني بجامعة بكين لتوفير الوصول إلى المجاهر الإلكترونية. بالإضافة إلى ذلك ، يمتد البحث إلى يينغ تسوي وكلية علوم الأرض والفضاء بجامعة بكين لمساعدتهم في قياسات رامان.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zheng, F., Ke, W., Shi, L., Liu, H., Zhao, Y. Plasmonic Au-Ag janus nanoparticle engineered ratiometric surface-enhanced Raman scattering aptasensor for ochratoxin A detection. Analytical Chemistry. 91 (18), 11812-11820 (2019).
  2. Zhou, L., et al. Size-tunable gold aerogels: a durable and misfocus-tolerant 3D substrate for multiplex SERS detection. Advanced Optical Materials. 9 (17), 2100352 (2021).
  3. Fan, W., et al. Graphene oxide and shape-controlled silver nanoparticle hybrids for ultrasensitive single-particle surface-enhanced Raman scattering (SERS) sensing. Nanoscale. 6 (9), 4843-4851 (2014).
  4. Xu, W., et al. Graphene-veiled gold substrate for surface-enhanced Raman spectroscopy. Advanced Materials. 25 (6), 928-933 (2013).
  5. Li, H., et al. Graphene-coated Si nanowires as substrates for surface-enhanced Raman scattering. Applied Surface Science. 541, 0169-4332 (2021).
  6. Chin, C. Y., et al. High sensitivity enhancement of multi-shaped silver-nanoparticle-decorated hydrophilic PVDF-based SERS substrates using solvating pretreatment. Sensors and Actuators: B. Chemistry. 347, 130614 (2021).
  7. Volpe, G., Noack, M., Acimovic, S. S., Reinhardt, C., Quidant, R. Near-field mapping of plasmonic antennas by multiphoton absorption in poly(methyl methacrylate). Nano Letters. 12 (9), 4864-4868 (2012).
  8. Novikov, S. M., et al. Fractal shaped periodic metal nanostructures atop dielectric-metal substrates for SERS applications. ACS Photonics. 7 (7), 1708-1715 (2020).
  9. Li, J., et al. 300 mm wafer-level, ultra-dense arrays of Au-capped nanopillars with sub-10 nm gaps as reliable SERS substrates. Nanoscale. 6 (21), 12391-12396 (2014).
  10. Mecker, L. C., et al. Selective melamine detection in multiple sample matrices with a portable Raman instrument using surface-enhanced Raman spectroscopy-active gold nanoparticles. Analytica Chimica Acta. 733, 48-55 (2012).
  11. Shao, J. D., et al. PLLA nanofibrous paper-based plasmonic substrate with tailored hydrophilicity for focusing SERS detection. ACS Applied Materials & Interfaces. 7, 5391-5399 (2015).
  12. Chen, Y. M., Ge, F. Y., Guang, S. Y., Cai, Z. S. Low-cost and large-scale flexible SERS-cotton fabric as a wipe substrate for surface trace analysis. Applied Surface Science. 436, 111-116 (2018).
  13. Yang, L., Zhen, S. J., Li, Y. F., Huang, C. Z. Silver nanoparticles deposited on graphene oxide for ultrasensitive surface-enhanced Raman scattering immunoassay of cancer biomarker. Nanoscale. 10, 11942-11947 (2018).
  14. Creedon, N. C., Lovera, P., Furey, A., O’Riordan, A. Transparent polymer-based SERS substrates templated by a soda can. Sensors and Actuators, B. 259, 64-74 (2018).
  15. Shiohara, A., Langer, J., Polavarapu, L., Marzan, L. M. Solution processed polydimethylsiloxane/gold nanostar flexible substrates for plasmonic sensing. Nanoscale. 6, 9817-9823 (2014).
  16. Guo, H. Y., Jiang, D., Li, H. B., Xu, S. P., Xu, W. Q. Highly efficient construction of silver nanosphere dimers on poly (dimethylsiloxane) sheets for surface-enhanced Raman scattering. Journal of Physical Chemistry C. 117, 564-570 (2013).
  17. Park, S., Lee, J., Ku, H. Transparent and flexible surface-enhanced Raman scattering (SERS) sensors based on gold nanostar arrays embedded in silicon rubber film. ACS Applied Materials Interfaces. 9, 44088-44095 (2017).
  18. Li, L. M., Chin, W. S. Rapid fabrication of a flexible and transparent Ag nanocubes@ PDMS film as a SERS substrate with high performance. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 (33), 37538-37548 (2020).
  19. Yang, J. L., et al. Quantitative detection using two-dimensional shell-isolated nanoparticle film. Journal of Raman Spectroscopy. 48, 919-924 (2017).
  20. Fortuni, B., et al. In situ synthesis of Au-shelled Ag nanoparticles on PDMS for flexible, long-life, and broad spectrum-sensitive SERS substrates. Chemical Communications. 53 (82), 11298-11301 (2017).
  21. Wu, J., et al. Graphene oxide scroll meshes prepared by molecular combing for transparent and flexible electrodes. Advanced Materials Technologies. 2 (2), 1600231 (2017).
  22. Li, Z. Y., et al. Silver nanowire-templated molecular nanopatterning and nanoparticle assembly for surface-enhanced Raman scattering. Chemistry-A European Journal. 25 (45), 10561-10565 (2019).
  23. Zhan, H. R., et al. Transfer printing for preparing nanostructured PDMS film as flexible SERS active substrate. Composites Part B: Engineering. 84, 222-227 (2016).
  24. West, P., et al. Searching for better plasmonic materials. Laser & Photonics Reviews. 4, 795-808 (2010).
  25. Anastassiades, M., Lehotay, S. J., Štajnbaher, d., Schenck, F. J. Fast and easy multiresidue method employing acetonitrile extraction/partitioning and "dispersive solid-phase extraction" for the determination of pesticide residues in produce. Journal of AOAC International. 86 (2), 412-431 (2003).
  26. Zhu, J., et al. A green chemistry synthesis of Ag nanoparticles and their concentrated distribution on PDMS elastomer film for more sensitive SERS detection. , (2017).
  27. Damalas, C. A., Eleftherohorinos, I. G. Pesticide exposure, safety issues, and risk assessment indicators. International Journal of Environmental Research and Public Health. 8 (5), 1402-1419 (2011).
  28. Zannotti, M., Rossi, A., Giovannetti, R. SERS activity of silver nanosphere, triangular nanoplates, hexagonal nanoplates and quasi-spherical nanoparticles: effect of shape and morphology. Coatings. 10, 288 (2020).
  29. Zhu, J., et al. Large-scale fabrication of ultrasensitive and uniform surface-enhanced Raman scattering substrates for the trace detection of pesticides. Nanomaterials. 8 (7), 520 (2018).
  30. Lu, H., Zhu, L., Zhang, C. Mixing assisted "hot spots" occupying SERS strategy for highly sensitive in situ study. Analytical Chemistry. 90 (7), 4535-4543 (2018).
  31. Mao, H., et al. Microfluidic surface-enhanced Raman scattering sensors based on nanopillar forests realized by an oxygen-plasma-stripping-of-photoresist technique. Small. 10 (1), 127-134 (2014).
  32. Zhang, C. H., et al. Small and sharp triangular silver nanoplates synthesized utilizing tiny triangular nuclei and their excellent SERS activity for selective detection of Thiram residue in soil. ACS Applied Materials and Interfaces. 9, 17387-17398 (2017).
  33. Zhu, C., et al. Detection of dithiocarbamate pesticides with a spongelike surface-enhanced raman scattering substrate made of reduced graphene oxide-wrapped silver nanocubes. ACS Applied Materials and Interfaces. 9, 39618-39625 (2017).
  34. Zhu, J., et al. Highly sensitive and label-free determination of thiram residue using surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) coupled with paper-based microfluidics. Analytical Methods. 9, 6186-6193 (2017).
  35. Yu, Y., et al. Gold-nanorod-coated capillaries for the SERS-based detection of Thiram. ACS Applied Nano Materials. 2 (1), 598-606 (2019).
  36. Zhang, X., et al. Rapid and non-invasive surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) detection of chlorpyrifos in fruits using disposable paper-based substrates charged with gold nanoparticle/halloysite nanotube composites. Mikrochim Acta. 189, 189-197 (2022).
  37. Lee, C. H., Tian, L., Singamaneni, S. Paper-based SERS swab for rapid trace detection on real-world surfaces. ACS Applied Materials and Interfaces. 2, 3429-3435 (2010).
  38. Cheng, H., et al. Drug preconcentration and direct quantification in biofluids using 3D-printed paper cartridge. Biosensors and Bioelectronics. 189, 113266-113277 (2021).

Tags

Polydimethylsiloxane (PDMS)Surface-enhanced Raman Scattering (SERS)Silver Nanoparticles (AgNPs)3-aminopropyl Triethoxysilane (APTES)Rhodamine 6G (R6G)ThiramPesticide DetectionFlexible SubstrateEnhanced Factor (EF)Sensitive Detection
check_url/65595?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Lin, G., Zhu, J., Wang, Y., Yang, B., Xiong, S., Zhang, J., Wu, W. Fabrication of polydimethylsiloxane (PDMS)-Based Flexible Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) Substrate for Ultrasensitive Detection. J. Vis. Exp. (201), e65595, doi:10.3791/65595 (2023).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image