JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
공학

Fremstilling af polydimethylsiloxan (PDMS)-baseret fleksibelt overfladeforstærket Ramanspredningssubstrat (SERS) til ultrafølsom detektion

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

Denne protokol beskriver en fabrikationsmetode for et fleksibelt substrat til overfladeforstærket Raman-spredning. Denne metode er blevet anvendt til vellykket påvisning af lave koncentrationer af R6G og Thiram.

Abstract

Denne artikel præsenterer en fremstillingsmetode til et fleksibelt substrat designet til overfladeforbedret Ramanspredning (SERS). Sølvnanopartikler (AgNP’er) blev syntetiseret gennem en kompleksationsreaktion, der involverede sølvnitrat (AgNO3) og ammoniak, efterfulgt af reduktion ved anvendelse af glucose. De resulterende AgNP’er udviste en ensartet størrelsesfordeling fra 20 nm til 50 nm. Efterfølgende blev 3-aminopropyltriethoxysilan (APTES) anvendt til at modificere et PDMS-substrat, der var blevet overfladebehandlet med oxygenplasma. Denne proces lettede selvmontering af AgNP’er på substratet. En systematisk evaluering af virkningen af forskellige eksperimentelle betingelser på substratets ydeevne førte til udviklingen af et SERS-substrat med fremragende ydeevne og en forbedret faktor (EF). Ved hjælp af dette substrat blev der opnået imponerende detektionsgrænser på 10-10 M for R6G (Rhodamin 6G) og 10-8 M for Thiram. Substratet blev med succes anvendt til påvisning af pesticidrester på æbler, hvilket gav meget tilfredsstillende resultater. Det fleksible SERS-substrat demonstrerer et stort potentiale for applikationer i den virkelige verden, herunder detektion i komplekse scenarier.

Introduction

Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS), som en type Raman-spredning, giver fordelene ved høj følsomhed og blide detektionsforhold og kan endda opnå enkeltmolekyledetektion 1,2,3,4. Metal nanostrukturer, såsom guld og sølv, anvendes typisk som SERS-substrater for at muliggøre stofdetektion 5,6. Forbedring af elektromagnetisk kobling på nanostrukturerede overflader spiller en væsentlig rolle i SERS-applikationer. Metalliske nanostrukturer med varierende størrelser, former, interpartikelafstande og sammensætninger kan aggregeres for at skabe adskillige “hotspots”, der genererer intense elektromagnetiske felter på grund af lokaliserede overfladeplasmonresonanser 7,8. Mange undersøgelser har udviklet metal nanopartikler med forskellige morfologier som SERS substrater, hvilket viser deres effektivitet i at opnå SERS forbedring 9,10.

Fleksible SERS-substrater finder brede anvendelsesmuligheder med nanostrukturer, der er i stand til at producere SERS-effekter deponeret på fleksible substrater for at lette direkte detektion på buede overflader. Fleksible SERS-substrater anvendes til at detektere og indsamle analysander på uregelmæssige, ikke-plane eller buede overflader. Almindelige fleksible SERS-substrater inkluderer fibre, polymerfilm og grafenoxidfilm11,12,13,14. Blandt dem er polydimethylsiloxan (PDMS) et af de mest anvendte polymermaterialer og tilbyder fordele som høj gennemsigtighed, høj trækstyrke, kemisk stabilitet, ikke-toksicitet og vedhæftning15,16,17. PDMS har et lavt Raman-tværsnit, hvilket gør dets indvirkning på Raman-signalet ubetydelig18. Da PDMS-præpolymeren er i flydende form, kan den hærdes af varme eller lys, hvilket giver en høj grad af styrbarhed og bekvemmelighed. PDMS-baserede SERS-substrater er relativt almindelige fleksible SERS-substrater, der er blevet brugt i tidligere undersøgelser til at indlejre forskellige metalnanopartikler til påvisning af forskellige biokemiske stoffer med eksemplarisk ydeevne19,20.

Ved fremstillingen af SERS-substrater er fremstillingen af nanogapstrukturer afgørende. Fysisk deponeringsteknologi giver fordele som høj skalerbarhed, ensartethed og reproducerbarhed, men kræver typisk gode vakuumforhold og specialudstyr, hvilket begrænser dets praktiske anvendelser21. Derudover er fremstilling af nanostrukturer på få nanometerskalaer fortsat udfordrende med konventionelle deponeringsteknikker22. Derfor kan nanopartikler syntetiseret gennem kemiske metoder adsorberes på fleksible gennemsigtige film gennem forskellige interaktioner, hvilket letter selvmontering af metalliske strukturer på nanoskala. For at sikre vellykket adsorption kan interaktioner justeres ved fysisk eller kemisk ændring af filmoverfladen for at ændre dens overfladehydrofilicitet23. Sølvnanopartikler, sammenlignet med guldnanopartikler, udviser bedre SERS-ydeevne, men deres ustabilitet, især deres modtagelighed for oxidation i luft, resulterer i et hurtigt fald i SERS Enhancement Factor (EF), hvilket påvirker substratets ydeevne24. Derfor er det vigtigt at udvikle en stabil partikelmetode.

Tilstedeværelsen af pesticidrester har fået betydelig opmærksomhed, hvilket skaber et presserende behov for robuste metoder, der hurtigt kan detektere og identificere forskellige klasser af farlige kemikalier i fødevarer i marken25,26. Fleksible SERS-substrater giver unikke fordele i praktiske anvendelser, især inden for fødevaresikkerhed. Denne artikel introducerer en metode til fremstilling af et fleksibelt SERS-substrat ved at binde syntetiserede glucosebelagte sølvnanopartikler (AgNP’er) på et PDMS-substrat (figur 1). Tilstedeværelsen af glukose beskytter AgNP’erne og mindsker sølvoxidation i luften. Substratet demonstrerer fremragende detektionsevne, der er i stand til at detektere Rhodamin 6G (R6G) så lavt som 10-10 M og pesticidthiram så lavt som 10-8 M med god ensartethed. Desuden kan det fleksible substrat anvendes til detektion gennem binding og prøveudtagning med mange potentielle anvendelsesscenarier.

Protocol

1. Syntese af nanopartikler Fremstilling af sølvnitratopløsningVed hjælp af en præcisionsvægt måles 0,0017 g sølvnitrat af AR-kvalitet (AgNO3, se materialetabellen) og tilsættes til 10 ml deioniseret (DI) vand. Blandingen omrøres til en 10-3 mol/lAgNO3-opløsning. Fremstilling af sølv-ammoniakkompleksetTag 1 ml ammoniakvand af AR-kvalitet (NH3. H2O, se materialetabelle…

Representative Results

I denne undersøgelse blev der udviklet et fleksibelt SERS-substrat sammensat af syntetiske AgNP’er pakket ind i glukose og selvmonteret på PDMS ved hjælp af APTES, hvilket opnåede fremragende detektionsydelse til praktiske pesticiddetekteringsapplikationer. Detektionsgrænserne for R6G og Thiram blev begge nået ved henholdsvis 10-10 M og 10-8 M med en forbedringsfaktor (EF) på 1 x 10 5. Desuden viste substratet ensartethed. AgNP’erne indpakket i glukose b…

Discussion

I denne undersøgelse blev der introduceret et fleksibelt SERS-substrat, som bandt AgNP’er til PDMS gennem kemisk modifikation og opnåede fremragende ydeevne. Under partikelsyntese, specifikt i sølvammoniakkomplekssyntesen (trin 1.2), spiller opløsningens farve en afgørende rolle. Tilsætning af for meget ammoniakvand dråbevis kan påvirke AgNPs syntesekvalitet negativt, hvilket potentielt kan føre til mislykkede detektionsresultater. Der skal tages hensyn til substratmodifikation (trin 2.2) under synteseprocessen;…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forskningen er støttet af National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61974004 and 61931018) samt National Key R&D Program of China (Grant No. 2021YFB3200100). Undersøgelsen anerkender Electron Microscopy Laboratory of Peking University for at give adgang til elektronmikroskoper. Derudover strækker forskningen sig takket være Ying Cui og School of Earth and Space Science ved Peking University for deres hjælp til Raman-målinger.

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

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