JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Bu protokol, yüzeyde geliştirilmiş Raman saçılımı için esnek bir alt tabaka için bir üretim yöntemini açıklar. Bu yöntem, düşük konsantrasyonlarda R6G ve Thiram'ın başarılı bir şekilde tespit edilmesinde kullanılmıştır.

Özet

Bu makale, Yüzeyde Geliştirilmiş Raman Saçılımı (SERS) için tasarlanmış esnek bir alt tabaka için bir üretim yöntemi sunar. Gümüş nanopartiküller (AgNP'ler), gümüş nitrat (AgNO3) ve amonyak içeren bir kompleksleşme reaksiyonu yoluyla sentezlendi, ardından glikoz kullanılarak indirgendi. Ortaya çıkan AgNP'ler, 20 nm ila 50 nm arasında değişen tek tip bir boyut dağılımı sergiledi. Daha sonra, oksijen plazması ile yüzey muamelesi görmüş bir PDMS substratını modifiye etmek için 3-aminopropil trietoksisilan (APTES) kullanıldı. Bu işlem, AgNP'lerin alt tabakaya kendi kendine montajını kolaylaştırdı. Çeşitli deneysel koşulların substrat performansı üzerindeki etkisinin sistematik bir değerlendirmesi, mükemmel performansa ve Gelişmiş Faktöre (EF) sahip bir SERS substratının geliştirilmesine yol açtı. Bu substrat kullanılarak, R6G (Rhodamine 6G) için 10-10 M ve Thiram için 10-8 M'lik etkileyici tespit limitleri elde edildi. Substrat, elmalardaki pestisit kalıntılarını tespit etmek için başarıyla kullanıldı ve oldukça tatmin edici sonuçlar verdi. Esnek SERS alt tabakası, karmaşık senaryolarda algılama da dahil olmak üzere gerçek dünya uygulamaları için büyük bir potansiyel gösterir.

Giriş

Yüzeyde Geliştirilmiş Raman Saçılımı (SERS), bir Raman saçılımı türü olarak, yüksek hassasiyet ve hassas algılama koşullarının avantajlarını sunar ve hatta tek molekül algılaması 1,2,3,4 elde edebilir. Altın ve gümüş gibi metal nanoyapılar, madde tespitini sağlamak için tipik olarak SERS substratları olarak kullanılır 5,6. Nanoyapılı yüzeylerde elektromanyetik kuplaj geliştirme, SERS uygulamalarında önemli bir rol oynar. Farklı boyutlara, şekillere, parçacıklar arası mesafelere ve bileşimlere sahip metalik nanoyapılar, lokalize yüzey plazmon rezonansları 7,8 nedeniyle yoğun elektromanyetik alanlar üreten çok sayıda "sıcak nokta" oluşturmak için bir araya gelebilir. Birçok çalışma, SERS substratları olarak farklı morfolojilere sahip metal nanopartiküller geliştirmiş ve bunların SERS geliştirmesineulaşmadaki etkinliklerini göstermiştir 9,10.

Esnek SERS alt tabakaları, kavisli yüzeylerde doğrudan algılamayı kolaylaştırmak için esnek alt tabakalar üzerinde biriken SERS etkileri üretebilen nanoyapılar ile geniş uygulamalar bulur. Esnek SERS substratları, düzensiz, düzlemsel olmayan veya kavisli yüzeylerde analitleri tespit etmek ve toplamak için kullanılır. Yaygın esnek SERS substratları arasında lifler, polimer filmler ve grafen oksit filmler11,12,13,14 bulunur. Bunlar arasında polidimetilsiloksan (PDMS) en yaygın kullanılan polimer malzemelerden biridir ve yüksek şeffaflık, yüksek çekme mukavemeti, kimyasal stabilite, toksik olmama ve yapışma gibi avantajlar sunar15,16,17. PDMS'nin düşük bir Raman kesiti vardır, bu da Raman sinyali üzerindeki etkisini ihmal edilebilirhale getirir 18. PDMS prepolimeri sıvı formda olduğundan, ısı veya ışıkla kürlenebilir, bu da yüksek derecede kontrol edilebilirlik ve rahatlık sağlar. PDMS bazlı SERS substratları, önceki çalışmalarda örnek performansa sahip farklı biyokimyasal maddeleri tespit etmek için çeşitli metal nanopartikülleri gömmek için kullanılmış olan nispeten yaygın esnek SERS substratlarıdır19,20.

SERS substratlarının hazırlanmasında, nanogap yapılarının imalatı çok önemlidir. Fiziksel biriktirme teknolojisi, yüksek ölçeklenebilirlik, tekdüzelik ve tekrarlanabilirlik gibi avantajlar sunar, ancak tipik olarak iyi vakum koşulları ve özel ekipman gerektirir ve bu da pratik uygulamalarını sınırlar21. Ek olarak, birkaç nanometre ölçeğinde nanoyapılar üretmek, geleneksel biriktirme teknikleriyle zor olmaya devam etmektedir22. Sonuç olarak, kimyasal yöntemlerle sentezlenen nanopartiküller, çeşitli etkileşimler yoluyla esnek şeffaf filmler üzerine adsorbe edilebilir ve bu da metalik yapıların nano ölçekte kendi kendine birleşmesini kolaylaştırır. Başarılı adsorpsiyonu sağlamak için, yüzey hidrofilikliğini değiştirmek için film yüzeyi fiziksel veya kimyasal olarak değiştirilerek etkileşimler ayarlanabilir23. Gümüş nanopartiküller, altın nanopartiküllere kıyasla daha iyi SERS performansı sergiler, ancak kararsızlıkları, özellikle havadaki oksidasyona duyarlılıkları, substrat performansını etkileyen SERS Geliştirme Faktöründe (EF) hızlı bir düşüşe neden olur24. Bu nedenle, kararlı bir parçacık yöntemi geliştirmek esastır.

Pestisit kalıntılarının varlığı büyük ilgi görmüştür ve tarlada gıdalardaki çeşitli tehlikeli kimyasal sınıflarını hızlı bir şekilde tespit edebilen ve tanımlayabilen sağlam yöntemlere acil bir ihtiyaç yaratmıştır25,26. Esnek SERS substratları, pratik uygulamalarda, özellikle gıda güvenliği alanında benzersiz avantajlar sunar. Bu makale, sentezlenmiş glikoz kaplı gümüş nanopartikülleri (AgNP'ler) bir PDMS substratına bağlayarak esnek bir SERS substratı hazırlamak için bir yöntem sunmaktadır (Şekil 1). Glikozun varlığı, AgNP'leri koruyarak havadaki gümüş oksidasyonunu azaltır. Substrat, Rhodamine 6G'yi (R6G) 10-10 M kadar düşük ve pestisit Thiram'ı 10-8 M kadar düşük ve iyi bir homojenlik ile tespit edebilen mükemmel algılama performansı gösterir. Ayrıca, esnek alt tabaka, çok sayıda potansiyel uygulama senaryosu ile yapıştırma ve numune alma yoluyla tespit için kullanılabilir.

Protokol

1. Nanopartiküllerin sentezi

  1. Gümüş nitrat çözeltisinin hazırlanması
    1. Hassas bir tartım terazisi kullanarak 0,0017 g AR sınıfı gümüş nitrat ölçün (AgNO3, Malzeme Tablosuna bakın) ve 10 mL deiyonize (DI) suya ekleyin. 10-3 mol/LAgNO3 çözeltisi oluşturmak için karışımı karıştırın.
  2. Gümüş-amonyak kompleksinin hazırlanması
    1. 1 mL AR sınıfı amonyak suyu (NH3. H2O, Malzeme Tablosuna bakınız) bir şırınga kullanarak gümüş nitrat çözeltisine damla damla ekleyin. Çözüm netleştiğinde damla damla eklemeyi durdurun.
  3. Glikoz çözeltisinin hazırlanması
    1. Hassas bir tartım terazisi kullanarak 0,36 g AR sınıfı glikoz tozu ölçün (Malzeme Tablosuna bakın) ve 10 mL DI suya ekleyin. 0.2 M'lik bir glikoz çözeltisi oluşturmak için karışımı iyice karıştırın.
  4. Gümüş nanopartiküllerin sentezi (AgNP'ler)
    1. 30 dakikalık aralıklarla glikoz çözeltisine (adım 1.3'te hazırlanan) 30 μL gümüş-amonyak kompleksi (adım 1.2'de hazırlanır) eklemek için bir pipet tabancası kullanın. Çözelti sararana kadar karıştırarak bu işlemi 4-6 kez tekrarlayın.

2. Esnek yüzeylerin hazırlanması

  1. PDMS substratının hazırlanması
    1. PDMS substratını sentezlemek için, yaklaşık 5 g PDMS A çözeltisi alın ve 1:10 oranında B çözeltisi (ticari olarak temin edilebilen bir kitten, Malzeme Tablosuna bakınız) ekleyin.
    2. PDMS A ve B çözeltilerini karıştırın ve iyice karıştırın.
    3. Karışık PDMS'yi kare bir kaba aktarın ve ardından 80 °C fırında 2 saat pişirin.
    4. Yukarıdaki işlemle sertleştikten sonra, PDMS'yi Petri kabının koyu ızgarası boyunca kesmek için bir neşter kullanın ve yaklaşık 1 cm x 1 cm boyutlarında küçük PDMS küpleri oluşturun.
  2. Yüzey modifikasyonu
    1. Yukarıda belirtilen küçük PDMS parçalarını plazma işlemine tabi tutun. Elde tutulan bir plazma işlemcisi kullanın (Malzeme Tablosuna bakın) ve yüzey plazma işlemini gerçekleştirmek için PDMS yüzeyinin yaklaşık 5-10 cm üzerinde ileri geri hareket ettirin.
    2. Yüzeyi değiştirmek için plazma işlemcisini kullanın, PDMS yüzeyinde hidroksil gruplarının oluşumunu indükleyerek hidrofilikhale getirin 27.
  3. APTES ile Değişiklik
    1. % 10'luk bir APTES çözeltisi hazırlayın (Malzeme Tablosuna bakın).
    2. Adım 2.2'de elde edilen yüzeyi değiştirilmiş PDMS'yi APTES çözeltisine daldırın ve 10 saat bekletin. Bu, APTES'in PDMS yüzeyindeki hidroksil gruplarına bağlanmasına izin verir.
  4. AgNP'lerin kendi kendine montajı
    1. Adım 2.3'te elde edilen PDMS substratını 10 saat boyunca adım 1.4'te sentezlenen AgNPs çözeltisine daldırın. Bu, AgNP'leri PDMS alt tabakasına kendi kendine monte ederek nihai esnek SERS algılama alt tabakasını oluşturur.

Sonuçlar

Bu çalışmada, glikoza sarılmış ve APTES kullanılarak PDMS üzerinde kendi kendine monte edilen sentetik AgNP'lerden oluşan esnek bir SERS substratı geliştirildi ve pratik pestisit tespit uygulamaları için mükemmel tespit performansı elde edildi. R6G ve Thiram için tespit sınırlarının her ikisine de sırasıyla 10-10 M ve 10-8 M'de ulaşıldı ve 1 x 10 5'lik bir Geliştirme Faktörü (EF) ile ulaşıldı. Ayrıca, substrat tekdüzelik gösterdi.

Tartışmalar

Bu çalışmada, AgNP'leri kimyasal modifikasyon yoluyla PDMS'ye bağlayan ve mükemmel performans sağlayan esnek bir SERS substratı tanıtıldı. Partikül sentezi sırasında, özellikle gümüş amonyak kompleksi sentezinde (adım 1.2), çözeltinin rengi çok önemli bir rol oynar. Damla damla çok fazla amonyak suyu eklemek, AgNP'lerin sentez kalitesini olumsuz yönde etkileyebilir ve potansiyel olarak başarısız tespit sonuçlarına yol açabilir. Sentez işlemi sırasında substrat modifikasyonuna (adım 2.2) ...

Açıklamalar

Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan etmezler.

Teşekkürler

Araştırma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (Hibe No. 61974004 ve 61931018) ve Çin Ulusal Anahtar Ar-Ge Programı (Hibe No. 2021YFB3200100) tarafından desteklenmektedir. Çalışma, elektron mikroskoplarına erişim sağladığı için Pekin Üniversitesi Elektron Mikroskobu Laboratuvarı'nı kabul ediyor. Ek olarak, araştırma, Raman ölçümlerindeki yardımları için Ying Cui'ye ve Pekin Üniversitesi Dünya ve Uzay Bilimleri Okulu'na teşekkür ediyor.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
Ammonia (NH3.H2O, 25%)Beijing Chemical Works
APTES (98%)BeyotimeST1087
BD-20AC Laboratory Chrona TreaterElectro-Technic Products Inc.12051A
D-glucoseBeijing Chemical Works
Environmental Scanning electron microscope (ESEM)FEIQUANTA 250
Raman microscopeHoriba JYLabRAM HR Evolution
Rhodamine 6GBeijing Chemical Works
Silicone Elastomer Base and Silicone Elastomer Curing AgentDow Corning CorporationSYLGARD 184
Silver nitrateBeijing Chemical Works
Thiram (C6H12N2S2, 99.9%)Beijing Chemical Works

Referanslar

  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).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

JoVE de Bu AySay 201Y zeyde Geli tirilmi Raman Sa lmas SERSesnek substratAgNP lerbiyokimyasal alg lama

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır