Herstellung eines Polydimethylsiloxan (PDMS)-basierten flexiblen oberflächenverstärkten Raman-Streusubstrats (SERS) für die hochempfindliche Detektion

Die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) als eine Art der Raman-Streuung bietet die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit und schonender Detektionsbedingungen und kann sogar die Detektion einzelner Moleküle erreichen 1,2,3,4. Metallnanostrukturen, wie Gold und Silber, werden typischerweise als SERS-Substrate verwendet, um die Detektion von Substanzen zu ermöglichen ^5,6. Die Verbesserung der elektromagnetischen Kopplung auf nanostrukturierten Oberflächen spielt eine wichtige Rolle in SERS-Anwendungen. Metallische Nanostrukturen mit unterschiedlichen Größen, Formen, Abständen zwischen den Partikeln und Zusammensetzungen können sich zu zahlreichen “Hotspots” zusammenschließen, die aufgrund lokalisierter Oberflächenplasmonenresonanzen intensive elektromagnetische Felder erzeugen ^7,8. In vielen Studien wurden Metallnanopartikel mit unterschiedlichen Morphologien als SERS-Substrate entwickelt, was ihre Wirksamkeit bei der Erzielung einer SERS-Verbesserung belegt ^9,10.

Flexible SERS-Substrate finden breite Anwendungen, wobei Nanostrukturen in der Lage sind, SERS-Effekte zu erzeugen, die auf flexiblen Substraten abgeschieden werden, um die direkte Detektion auf gekrümmten Oberflächen zu erleichtern. Flexible SERS-Substrate werden zum Detektieren und Sammeln von Analyten auf unregelmäßigen, nicht-planaren oder gekrümmten Oberflächen eingesetzt. Zu den üblichen flexiblen SERS-Substraten gehören Fasern, Polymerfilme und Graphenoxidfilme¹¹, ¹², ^{13, 14}. Unter ihnen ist Polydimethylsiloxan (PDMS) eines der am weitesten verbreiteten Polymermaterialien und bietet Vorteile wie hohe Transparenz, hohe Zugfestigkeit, chemische Stabilität, Ungiftigkeit und Haftung^15,16,17. PDMS hat einen geringen Raman-Querschnitt, so dass sein Einfluss auf das Raman-Signal vernachlässigbar ist¹⁸. Da das PDMS-Prepolymer in flüssiger Form vorliegt, kann es durch Hitze oder Licht ausgehärtet werden, was ein hohes Maß an Kontrollierbarkeit und Komfort bietet. PDMS-basierte SERS-Substrate sind relativ verbreitete flexible SERS-Substrate, die in früheren Studien verwendet wurden, um verschiedene Metallnanopartikel zum Nachweis verschiedener biochemischer Substanzen mit vorbildlicher Leistung einzubetten^19,20.

Bei der Herstellung von SERS-Substraten ist die Herstellung von Nanogap-Strukturen von entscheidender Bedeutung. Die physikalische Abscheidungstechnologie bietet Vorteile wie hohe Skalierbarkeit, Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit, erfordert jedoch in der Regel gute Vakuumbedingungen und spezielle Ausrüstung, was ihre praktischen Anwendungen einschränkt²¹. Darüber hinaus ist die Herstellung von Nanostrukturen im Bereich von wenigen Nanometern mit herkömmlichen Abscheidungstechniken nach wie vor eine Herausforderung²². Folglich können Nanopartikel, die durch chemische Methoden synthetisiert werden, durch verschiedene Wechselwirkungen an flexiblen transparenten Filmen adsorbiert werden, was die Selbstorganisation metallischer Strukturen auf der Nanoskala erleichtert. Um eine erfolgreiche Adsorption zu gewährleisten, können Wechselwirkungen durch physikalische oder chemische Modifikation der Filmoberfläche eingestellt werden, um ihre Oberflächenhydrophilie^{zu verändern 23}. Silbernanopartikel weisen im Vergleich zu Goldnanopartikeln eine bessere SERS-Leistung auf, aber ihre Instabilität, insbesondere ihre Anfälligkeit für Oxidation an der Luft, führt zu einer raschen Abnahme des SERS-Verstärkungsfaktors (EF), was sich auf die Substratleistung auswirkt²⁴. Daher ist es wichtig, eine stabile Partikelmethode zu entwickeln.

Das Vorhandensein von Pestizidrückständen hat große Aufmerksamkeit erregt, was zu einem dringenden Bedarf an robusten Methoden führt, die in der Lage sind, verschiedene Klassen gefährlicher Chemikalien in Lebensmitteln vor Ort schnell zu erkennen und zu identifizieren^25,26. Flexible SERS-Substrate bieten einzigartige Vorteile in der Praxis, insbesondere im Bereich der Lebensmittelsicherheit. In diesem Artikel wird eine Methode zur Herstellung eines flexiblen SERS-Substrats vorgestellt, indem synthetisierte glukosebeschichtete Silbernanopartikel (AgNPs) auf ein PDMS-Substrat geklebt werden (Abbildung 1). Das Vorhandensein von Glukose schützt die AgNPs und mildert die Silberoxidation in der Luft. Das Substrat weist eine ausgezeichnete Detektionsleistung auf und ist in der Lage, Rhodamin 6G (R6G) bis zu einer Tiefe von 10-10 M und Pestizid Thiram bis zu ^10-8 M mit guter Gleichmäßigkeit zu detektieren. Darüber hinaus kann das flexible Substrat für die Detektion durch Bindung und Probenahme eingesetzt werden, mit zahlreichen potenziellen Anwendungsszenarien.