Fabbricazione di substrato SERS (Flexible Surface-Enhanced Raman Scattering) a base di polidimetilsilossano (PDMS) per la rilevazione ultrasensibile

Il Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS), come tipo di scattering Raman, offre i vantaggi di un’elevata sensibilità e di condizioni di rilevamento delicate e può persino ottenere il rilevamento di una singola molecola 1,2,3,4. Le nanostrutture metalliche, come l’oro e l’argento, sono tipicamente utilizzate come substrati SERS per consentire il rilevamento di sostanze ^5,6. Il miglioramento dell’accoppiamento elettromagnetico su superfici nanostrutturate svolge un ruolo significativo nelle applicazioni SERS. Le nanostrutture metalliche con dimensioni, forme, distanze interparticellari e composizioni variabili possono aggregarsi per creare numerosi “hotspot” che generano intensi campi elettromagnetici a causa di risonanze plasmoniche superficiali localizzate ^7,8. Molti studi hanno sviluppato nanoparticelle metalliche con diverse morfologie come substrati SERS, dimostrando la loro efficacia nel raggiungimento del potenziamento SERS ^9,10.

I substrati flessibili di SERS trovano ampie applicazioni, con nanostrutture in grado di produrre effetti SERS depositati su substrati flessibili per facilitare il rilevamento diretto su superfici curve. I substrati flessibili SERS sono impiegati per la rilevazione e la raccolta di analiti su superfici irregolari, non planari o curve. I substrati SERS flessibili comuni includono fibre, film polimerici e film di ossido di grafene^11,12,13,14. Tra questi, il polidimetilsilossano (PDMS) è uno dei materiali polimerici più utilizzati e offre vantaggi come elevata trasparenza, elevata resistenza alla trazione, stabilità chimica, non tossicità e adesione^15,16,17. Il PDMS ha una bassa sezione d’urto Raman, rendendo trascurabile il suo impatto sul segnale Raman¹⁸. Poiché il prepolimero PDMS è in forma liquida, può essere polimerizzato con il calore o la luce, fornendo un elevato grado di controllabilità e praticità. I substrati SERS basati su PDMS sono substrati SERS flessibili relativamente comuni, essendo stati utilizzati in studi precedenti per incorporare varie nanoparticelle metalliche per la rilevazione di diverse sostanze biochimiche con prestazioni esemplari^19,20.

Nella preparazione dei substrati SERS, la fabbricazione di strutture nanogap è cruciale. La tecnologia di deposizione fisica offre vantaggi come un’elevata scalabilità, uniformità e riproducibilità, ma in genere richiede buone condizioni di vuoto e attrezzature specializzate, limitandone le applicazioni pratiche²¹. Inoltre, la fabbricazione di nanostrutture su scala di pochi nanometri rimane impegnativa con le tecniche di deposizione convenzionali²². Di conseguenza, le nanoparticelle sintetizzate attraverso metodi chimici possono essere adsorbite su film trasparenti flessibili attraverso varie interazioni, facilitando l’autoassemblaggio di strutture metalliche su scala nanometrica. Per garantire il successo dell’adsorbimento, le interazioni possono essere regolate modificando fisicamente o chimicamente la superficie del film per alterarne l’idrofilia superficiale²³. Le nanoparticelle d’argento, rispetto alle nanoparticelle d’oro, mostrano migliori prestazioni SERS, ma la loro instabilità, in particolare la loro suscettibilità all’ossidazione nell’aria, si traduce in una rapida diminuzione del fattore di potenziamento SERS (EF), influenzando le prestazioni del substrato²⁴. Quindi, è essenziale sviluppare un metodo a particelle stabili.

La presenza di residui di pesticidi ha attirato un’attenzione significativa, creando una pressante necessità di metodi robusti in grado di rilevare e identificare rapidamente varie classi di sostanze chimiche pericolose negli alimenti^{sul campo 25,26}. I substrati flessibili SERS offrono vantaggi unici nelle applicazioni pratiche, in particolare nel campo della sicurezza alimentare. Questo articolo presenta un metodo per preparare un substrato SERS flessibile legando nanoparticelle d’argento rivestite di glucosio (AgNP) sintetizzate su un substrato PDMS (Figura 1). La presenza di glucosio protegge le AgNP, mitigando l’ossidazione dell’argento nell’aria. Il substrato dimostra eccellenti prestazioni di rilevamento, in grado di rilevare la Rhodamine 6G (R6G) fino a 10-10 M e il pesticida Thiram fino a ^10-8 M, con una buona uniformità. Inoltre, il substrato flessibile può essere impiegato per il rilevamento tramite incollaggio e campionamento, con numerosi potenziali scenari applicativi.