超高感度検出のためのポリジメチルシロキサン(PDMS)ベースのフレキシブル表面増強ラマン散乱(SERS)基板の作製
Summary
このプロトコルでは、表面増強ラマン散乱用のフレキシブル基板の製造方法について説明します。この分析法は、低濃度の R6G と Thiram の検出に使用されています。
Abstract
本稿では、表面増強ラマン散乱(SERS)用に設計されたフレキシブル基板の作製方法を紹介します。銀ナノ粒子(AgNP)は、硝酸銀(AgNO3)とアンモニアとの錯体化反応を経て合成され、その後グルコースで還元されました。得られたAgNPは、20nmから50nmの範囲で均一な粒度分布を示しました。続いて、3-アミノプロピルトリエトキシシラン(APTES)を用いて、酸素プラズマで表面処理したPDMS基板を改質しました。このプロセスにより、基板上へのAgNPの自己組織化が容易になりました。様々な実験条件が基板性能に及ぼす影響を系統的に評価した結果、優れた性能とエンハンスドファクター(EF)を持つSERS基板が開発されました。この基質を利用して、R6G(ローダミン6G)で10-10 M、チラムで10-8 Mという優れた検出限界を達成しました。この基質は、リンゴの残留農薬の検出に使用され、非常に満足のいく結果が得られました。フレキシブルなSERS基板は、複雑なシナリオでの検出など、実際のアプリケーションに大きな可能性を秘めています。
Introduction
表面増強ラマン散乱(SERS)は、ラマン散乱の一種として、高感度で穏やかな検出条件という利点があり、単一分子検出も実現できます1,2,3,4。金や銀などの金属ナノ構造は、通常、物質検出を可能にするためのSERS基板として使用されます5,6。ナノ構造表面の電磁結合強化は、SERSアプリケーションにおいて重要な役割を果たします。さまざまなサイズ、形状、粒子間距離、組成の金属ナノ構造が凝集して多数の「ホットスポット」を形成し、局所的な表面プラズモン共鳴により強い電磁場を生成する可能性があります7,8。多くの研究により、SERS基質として異なる形態の金属ナノ粒子が開発され、SERS増強の達成における有効性が実証されています9,10。
フレキシブルSERS基板は、SERS効果を生み出すことができるナノ構造をフレキシブル基板上に堆積させ、曲面での直接検出を容易にすることで、幅広い用途に使用されています。フレキシブルSERS基質は、不規則な表面、非平面的な表面、または曲面上の分析種の検出と収集に使用されます。一般的なフレキシブルSERS基板には、繊維、ポリマーフィルム、および酸化グラフェンフィルムが含まれる11,12,13,14。その中で、ポリジメチルシロキサン(PDMS)は最も広く使用されているポリマー材料の1つであり、高い透明性、高い引張強度、化学的安定性、非毒性、接着性などの利点があります15,16,17。PDMSはラマン断面積が小さいため、ラマン信号への影響はごくわずかです18。PDMSプレポリマーは液状であるため、熱や光で硬化させることができ、高い制御性と利便性を提供します。PDMSベースのSERS基質は、比較的一般的なフレキシブルSERS基質であり、例示的な性能を有する異なる生化学物質を検出するための様々な金属ナノ粒子を埋め込むために以前の研究で使用されてきた19,20。
SERS基板の作製では、ナノギャップ構造の作製が重要です。物理堆積技術には、高いスケーラビリティ、均一性、再現性などの利点がありますが、通常、良好な真空条件と特殊な機器が必要であり、その実用化には限界があります21。さらに、数ナノメートルスケールでナノ構造を作製することは、従来の堆積技術では依然として困難である22。その結果、化学的手法で合成されたナノ粒子は、様々な相互作用により柔軟な透明膜に吸着し、ナノスケールでの金属構造の自己組織化を促進することができます。吸着の成功を確実にするために、フィルム表面を物理的または化学的に修飾してその表面親水性を変化させることによって相互作用を調整することができる23。銀ナノ粒子は、金ナノ粒子と比較して、より優れたSERS性能を示すが、その不安定性、特に空気中での酸化に対する感受性は、SERS増強係数(EF)の急速な低下をもたらし、基板性能に影響を与える24。そのため、安定な粒子法の開発が不可欠です。
残留農薬の存在は大きな注目を集めており、現場で食品中のさまざまなクラスの有害化学物質を迅速に検出および特定できる堅牢な方法が緊急に必要とされています25,26。フレキシブルSERS基板は、実用化、特に食品安全の分野で独自の利点を提供します。本稿では、合成したグルコース被覆銀ナノ粒子(AgNP)をPDMS基板上に結合させることにより、フレキシブルSERS基板を調製する方法を紹介します(図1)。グルコースの存在はAgNPを保護し、空気中の銀の酸化を軽減します。この基質は優れた検出性能を発揮し、ローダミン6G(R6G)を10〜10M、農薬チラムを10〜8Mと低く検出し、均一性に優れています。さらに、フレキシブル基板は、ボンディングやサンプリングによる検出にも使用でき、多くのアプリケーションシナリオが考えられます。
Protocol
Representative Results
Discussion
本研究では、化学修飾によりAgNPとPDMSを結合させたフレキシブルSERS基板を導入し、優れた性能を達成しました。粒子合成中、特に銀アンモニア錯体合成(ステップ1.2)では、溶液の色が重要な役割を果たします。水滴にアンモニアを添加しすぎると、AgNPの合成品質に悪影響を及ぼし、検出結果に失敗する可能性があります。合成プロセス中の基質修飾(ステップ2.2)に注意を払う必要があります?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国国家自然科学基金会(助成金番号61974004および61931018)および中国国家重点研究開発プログラム(助成金番号2021YFB3200100)の支援を受けています。この研究は、北京大学の電子顕微鏡研究所が電子顕微鏡へのアクセスを提供したことを認めています。さらに、この研究は、ラマン測定の支援をしてくれたYing Cui氏と北京大学地球宇宙科学院にも感謝しています。
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 |
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