Fabricación de sustrato de dispersión Raman mejorada en superficie flexible (SERS) basado en polidimetilsiloxano (PDMS) para detección ultrasensible

Resumen

Este protocolo describe un método de fabricación de un sustrato flexible para la dispersión Raman mejorada en superficie. Este método se ha utilizado en la detección exitosa de bajas concentraciones de R6G y Thiram.

Resumen

Este artículo presenta un método de fabricación para un sustrato flexible diseñado para la dispersión Raman mejorada en superficie (SERS). Las nanopartículas de plata (AgNPs) se sintetizaron a través de una reacción de complejación en la que intervinieron nitrato de plata (AgNO₃) y amoníaco, seguida de una reducción con glucosa. Las AgNPs resultantes exhibieron una distribución de tamaño uniforme que osciló entre 20 nm y 50 nm. Posteriormente, se empleó 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) para modificar un sustrato de PDMS que había sido tratado superficialmente con plasma de oxígeno. Este proceso facilitó el autoensamblaje de AgNPs sobre el sustrato. Una evaluación sistemática del impacto de diversas condiciones experimentales en el rendimiento del sustrato condujo al desarrollo de un sustrato SERS con excelente rendimiento y un factor mejorado (FE). Utilizando este sustrato, se lograron impresionantes límites de detección de 10-10 M para R6G (Rhodamine 6G) y ^10-8 M para Thiram. El sustrato se empleó con éxito para la detección de residuos de plaguicidas en manzanas, obteniendo resultados altamente satisfactorios. El sustrato flexible de SERS demuestra un gran potencial para aplicaciones del mundo real, incluida la detección en escenarios complejos.

Introducción

La dispersión Raman mejorada en superficie (SERS), como un tipo de dispersión Raman, ofrece las ventajas de una alta sensibilidad y condiciones de detección suaves, e incluso puede lograr la detección de una sola molécula ^1,2,3,4. Las nanoestructuras metálicas, como el oro y la plata, se utilizan normalmente como sustratos SERS para permitir la detección de sustancias ^5,6. La mejora del acoplamiento electromagnético en superficies nanoestructuradas desempeña un papel importante en las aplicaciones SERS. Las nanoestructuras metálicas con diferentes tamaños, formas, distancias entre partículas y composiciones pueden agregarse para crear numerosos "puntos calientes" que generan intensos campos electromagnéticos debido a las resonancias de plasmones superficiales localizadas ^7,8. Muchos estudios han desarrollado nanopartículas metálicas con diferentes morfologías como sustratos de SERS, demostrando su efectividad para lograr el aumento de SERS ^9,10.

Los sustratos SERS flexibles encuentran amplias aplicaciones, con nanoestructuras capaces de producir efectos SERS depositadas sobre sustratos flexibles para facilitar la detección directa en superficies curvas. Los sustratos flexibles SERS se emplean para detectar y recolectar analitos en superficies irregulares, no planas o curvas. Los sustratos SERS flexibles comunes incluyen fibras, películas de polímero y películas de óxido de grafeno^11,12,13,14. Entre ellos, el polidimetilsiloxano (PDMS) es uno de los materiales poliméricos más utilizados y ofrece ventajas como alta transparencia, alta resistencia a la tracción, estabilidad química, no toxicidad y adhesión^15,16,17. El PDMS tiene una sección transversal Raman baja, lo que hace que su impacto en la señal Raman sea insignificante¹⁸. Dado que el prepolímero PDMS está en forma líquida, se puede curar con calor o luz, lo que proporciona un alto grado de controlabilidad y comodidad. Los sustratos SERS basados en PDMS son sustratos SERS flexibles relativamente comunes, habiéndose utilizado en estudios previos para incrustar varias nanopartículas metálicas para detectar diferentes sustancias bioquímicas con un rendimiento ejemplar^19,20.

En la preparación de sustratos SERS, la fabricación de estructuras nanogap es crucial. La tecnología de deposición física ofrece ventajas como alta escalabilidad, uniformidad y reproducibilidad, pero normalmente requiere buenas condiciones de vacío y equipos especializados, lo que limita sus aplicaciones prácticas²¹. Además, la fabricación de nanoestructuras a escala de unos pocos nanómetros sigue siendo un reto con las técnicas convencionales de deposición²². En consecuencia, las nanopartículas sintetizadas a través de métodos químicos pueden adsorberse en películas transparentes flexibles a través de diversas interacciones, lo que facilita el autoensamblaje de estructuras metálicas a nanoescala. Para garantizar una adsorción exitosa, las interacciones se pueden ajustar modificando física o químicamente la superficie de la película para alterar su hidrofilicidad^{superficial 23}. Las nanopartículas de plata, en comparación con las nanopartículas de oro, exhiben un mejor rendimiento del SERS, pero su inestabilidad, en particular su susceptibilidad a la oxidación en el aire, da como resultado una rápida disminución del factor de mejora (FE) del SERS, lo que afecta el rendimiento del sustrato²⁴. Por lo tanto, es esencial desarrollar un método de partículas estables.

La presencia de residuos de plaguicidas ha atraído una atención significativa, creando una necesidad apremiante de métodos robustos capaces de detectar e identificar rápidamente varias clases de productos químicos peligrosos en los alimentos en el campo^25,26. Los sustratos flexibles SERS ofrecen ventajas únicas en aplicaciones prácticas, especialmente en el ámbito de la seguridad alimentaria. Este artículo presenta un método para preparar un sustrato SERS flexible mediante la unión de nanopartículas de plata recubiertas de glucosa sintetizadas (AgNPs) en un sustrato de PDMS (Figura 1). La presencia de glucosa protege las AgNPs, mitigando la oxidación de la plata en el aire. El sustrato demuestra un excelente rendimiento de detección, capaz de detectar rodamina 6G (R6G) a una velocidad tan baja como 10-10 M y el pesticida Thiram a una velocidad tan baja como ^10-8 M, con buena uniformidad. Además, el sustrato flexible se puede emplear para la detección a través de la unión y el muestreo, con numerosos escenarios de aplicación potenciales.

Protocolo

1. Síntesis de nanopartículas

1. Preparación de la solución de nitrato de plata
   1. Con una balanza de pesaje de precisión, mida 0,0017 g de nitrato de plata de grado AR (AgNO₃, consulte la Tabla de materiales) y agréguelo a 10 ml de agua desionizada (DI). Revuelva la mezcla para crear una solución de AgNO 3 ^{de 10-3} mol/L.
2. Preparación del complejo plata-amoníaco
   1. Tome 1 ml de agua con amoníaco de grado AR (NH₃. H₂O, ver Tabla de Materiales) usando una jeringa, y agréguelo gota a gota en la solución de nitrato de plata mientras revuelve. Detenga la adición gota a gota cuando la solución se aclare.
3. Preparación de la solución de glucosa
   1. Con una balanza de pesaje precisa, mida 0,36 g de glucosa en polvo de grado AR (consulte la Tabla de materiales) y agréguelo a 10 ml de agua desionizada. Revuelva bien la mezcla para crear una solución de glucosa 0,2 M.
4. Síntesis de nanopartículas de plata (AgNPs)
   1. Utilizar una pistola de pipetas para añadir 30 μL del complejo plata-amoníaco (preparado en el paso 1.2) a la solución de glucosa (preparada en el paso 1.3) a intervalos de 30 min. Repita este proceso de 4 a 6 veces mientras revuelve hasta que la solución se vuelva amarilla.

2. Preparación de sustratos flexibles

1. Preparación del sustrato PDMS
   1. Para sintetizar el sustrato de PDMS, tome aproximadamente 5 g de solución de PDMS A y agregue la solución B (de un kit disponible comercialmente, consulte la Tabla de materiales) en una proporción de 1:10.
   2. Revuelva y mezcle bien las soluciones PDMS A y B.
   3. Transfiera el PDMS mezclado a un plato cuadrado y luego hornee en un horno a 80 ° C durante 2 h.
   4. Después de curar a través del proceso anterior, use un bisturí para cortar el PDMS a lo largo de la rejilla oscura de la placa de Petri, creando pequeños cubos de PDMS con dimensiones de aproximadamente 1 cm x 1 cm.
2. Modificación de la superficie
   1. Someter las piezas pequeñas de PDMS antes mencionadas a un tratamiento con plasma. Utilice un procesador de plasma portátil (consulte la Tabla de materiales) y muévalo hacia adelante y hacia atrás aproximadamente 5-10 cm por encima de la superficie del PDMS para realizar el tratamiento de plasma de superficie.
   2. Utilice el procesador de plasma para modificar la superficie, induciendo la formación de grupos hidroxilo en la superficie del PDMS, volviéndola hidrófila²⁷.
3. Modificación con APTES
   1. Prepare una solución APTES al 10% (ver Tabla de Materiales).
   2. Sumerja el PDMS modificado en la superficie obtenido en el paso 2.2 en la solución APTES y déjelo reposar durante 10 h. Esto permite que APTES se una a los grupos hidroxilo en la superficie del PDMS.
4. Autoensamblaje de AgNPs
   1. Sumergir el sustrato de PDMS obtenido en el paso 2.3 en la solución de AgNPs sintetizada en el paso 1.4 durante 10 h. Esto autoensambla los AgNP en el sustrato PDMS, creando el sustrato de detección SERS flexible final.

Resultados

En este estudio, se desarrolló un sustrato SERS flexible compuesto por AgNPs sintéticos envueltos en glucosa y autoensamblados en PDMS utilizando APTES, logrando un excelente rendimiento de detección para aplicaciones prácticas de detección de plaguicidas. Los límites de detección para R6G y Thiram se alcanzaron a 10-10 M y ^10-8 M, respectivamente, con un factor de mejora (FE) de 1 x ^{10 5}. Además, el sustrato demostró uniformidad.

Las AgNPs envueltas e...

Discusión

En este estudio, se introdujo un sustrato SERS flexible, que unió AgNPs a PDMS a través de la modificación química y logró un excelente rendimiento. Durante la síntesis de partículas, específicamente en la síntesis del complejo de plata y amoníaco (paso 1.2), el color de la solución juega un papel crucial. La adición de demasiada agua de amoníaco gota a gota puede afectar negativamente a la calidad de la síntesis de AgNPs, lo que puede dar lugar a resultados de detección infructuosos. Se debe prestar atenc...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
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