Detta protokoll beskriver en tillverkningsmetod för ett flexibelt substrat för ytförstärkt Raman-spridning. Denna metod har använts för framgångsrik detektion av låga koncentrationer av R6G och Thiram.
Den här artikeln presenterar en tillverkningsmetod för ett flexibelt substrat designat för Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS). Silvernanopartiklar (AgNPs) syntetiserades genom en komplexbildningsreaktion som involverade silvernitrat (AgNO3) och ammoniak, följt av reduktion med hjälp av glukos. De resulterande AgNP uppvisade en enhetlig storleksfördelning som sträckte sig från 20 nm till 50 nm. Därefter användes 3-aminopropyltrietoxisilan (APTES) för att modifiera ett PDMS-substrat som hade ytbehandlats med syreplasma. Denna process underlättade självorganiseringen av AgNP på substratet. En systematisk utvärdering av effekten av olika experimentella förhållanden på substratprestanda ledde till utvecklingen av ett SERS-substrat med utmärkt prestanda och en Enhanced Factor (EF). Med hjälp av detta substrat uppnåddes imponerande detektionsgränser på 10-10 M för R6G (Rhodamine 6G) och 10-8 M för Thiram. Substratet användes framgångsrikt för att detektera rester av bekämpningsmedel på äpplen, vilket gav mycket tillfredsställande resultat. Det flexibla SERS-substratet visar stor potential för verkliga tillämpningar, inklusive detektering i komplexa scenarier.
Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS), som en typ av Raman-spridning, erbjuder fördelarna med hög känslighet och skonsamma detektionsförhållanden, och kan till och med uppnå detektering av enstaka molekyler 1,2,3,4. Metallnanostrukturer, såsom guld och silver, används vanligtvis som SERS-substrat för att möjliggöra substansdetektion 5,6. Förbättring av elektromagnetisk koppling på nanostrukturerade ytor spelar en viktig roll i SERS-tillämpningar. Metalliska nanostrukturer med varierande storlek, form, interpartikelavstånd och sammansättningar kan aggregera för att skapa många “hotspots” som genererar intensiva elektromagnetiska fält på grund av lokaliserade ytplasmonresonanser 7,8. Många studier har utvecklat metallnanopartiklar med olika morfologier som SERS-substrat, vilket visar deras effektivitet när det gäller att uppnå SERS-förbättring 9,10.
Flexibla SERS-substrat har breda tillämpningar, med nanostrukturer som kan producera SERS-effekter som deponeras på flexibla substrat för att underlätta direkt detektion på krökta ytor. Flexibla SERS-substrat används för att detektera och samla in analyter på oregelbundna, icke-plana eller krökta ytor. Vanliga flexibla SERS-substrat inkluderar fibrer, polymerfilmer och grafenoxidfilmer11,12,13,14. Bland dem är polydimetylsiloxan (PDMS) ett av de mest använda polymermaterialen och erbjuder fördelar som hög transparens, hög draghållfasthet, kemisk stabilitet, giftfrihet och vidhäftning15,16,17. PDMS har ett lågt Raman-tvärsnitt, vilket gör dess inverkan på Raman-signalen försumbar18. Eftersom PDMS-prepolymeren är i flytande form kan den härdas med värme eller ljus, vilket ger en hög grad av kontrollerbarhet och bekvämlighet. PDMS-baserade SERS-substrat är relativt vanliga flexibla SERS-substrat, som har använts i tidigare studier för att bädda in olika metallnanopartiklar för att detektera olika biokemiska substanser med exemplarisk prestanda19,20.
Vid framställning av SERS-substrat är tillverkningen av nanogapstrukturer avgörande. Teknik för fysisk deponering erbjuder fördelar som hög skalbarhet, enhetlighet och reproducerbarhet, men kräver vanligtvis goda vakuumförhållanden och specialutrustning, vilket begränsar desspraktiska tillämpningar. Dessutom är det fortfarande en utmaning att tillverka nanostrukturer på några nanometernivåer med konventionella deponeringstekniker22. Följaktligen kan nanopartiklar som syntetiseras genom kemiska metoder adsorberas på flexibla transparenta filmer genom olika interaktioner, vilket underlättar självorganisering av metallstrukturer på nanoskala. För att säkerställa framgångsrik adsorption kan interaktioner justeras genom att fysiskt eller kemiskt modifiera filmytan för att ändra dess ythydrofilicitet23. Silvernanopartiklar, jämfört med guldnanopartiklar, uppvisar bättre SERS-prestanda, men deras instabilitet, särskilt deras känslighet för oxidation i luft, resulterar i en snabb minskning av SERS Enhancement Factor (EF), vilket påverkar substratprestandan24. Därför är det viktigt att utveckla en stabil partikelmetod.
Förekomsten av bekämpningsmedelsrester har fått stor uppmärksamhet, vilket skapar ett stort behov av robusta metoder som snabbt kan upptäcka och identifiera olika klasser av farliga kemikalier i livsmedel på fältet25,26. Flexibla SERS-substrat erbjuder unika fördelar i praktiska tillämpningar, särskilt när det gäller livsmedelssäkerhet. Denna artikel introducerar en metod för att framställa ett flexibelt SERS-substrat genom att binda syntetiserade glukosbelagda silvernanopartiklar (AgNP) på ett PDMS-substrat (figur 1). Närvaron av glukos skyddar AgNPs, vilket minskar silveroxidation i luften. Substratet uppvisar utmärkt detektionsprestanda och kan detektera Rhodamine 6G (R6G) så lågt som 10-10 M och bekämpningsmedel Thiram så lågt som 10-8 M, med god enhetlighet. Dessutom kan det flexibla substratet användas för detektering genom bindning och provtagning, med många potentiella applikationsscenarier.
I denna studie introducerades ett flexibelt SERS-substrat, som band AgNP till PDMS genom kemisk modifiering och uppnådde utmärkt prestanda. Under partikelsyntesen, särskilt i silverammoniakkomplexsyntesen (steg 1.2), spelar lösningens färg en avgörande roll. Att tillsätta för mycket ammoniakvatten droppvis kan påverka AgNPs synteskvalitet negativt, vilket kan leda till misslyckade detektionsresultat. Uppmärksamhet bör ägnas åt substratmodifiering (steg 2.2) under syntesprocessen; annars kan det hända att Ag…
The authors have nothing to disclose.
Forskningen stöds av National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61974004 and 61931018), samt National Key R&D Program of China (Grant No. 2021YFB3200100). Studien är ett erkännande av elektronmikroskopilaboratoriet vid Pekings universitet för att ha gett tillgång till elektronmikroskop. Dessutom är forskningen tack vare Ying Cui och School of Earth and Space Science vid Pekings universitet för deras hjälp med Raman-mätningar.
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 |