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

Dieses Protokoll beschreibt ein Herstellungsverfahren für ein flexibles Substrat für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung. Diese Methode wurde beim erfolgreichen Nachweis niedriger Konzentrationen von R6G und Thiram eingesetzt.

In diesem Artikel wird eine Herstellungsmethode für ein flexibles Substrat vorgestellt, das für die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) entwickelt wurde. Silbernanopartikel (AgNPs) wurden durch eine Komplexierungsreaktion mit Silbernitrat (AgNO₃) und Ammoniak synthetisiert, gefolgt von einer Reduktion mit Glukose. Die resultierenden AgNPs wiesen eine gleichmäßige Größenverteilung von 20 nm bis 50 nm auf. Anschließend wurde 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTES) verwendet, um ein PDMS-Substrat zu modifizieren, das mit Sauerstoffplasma oberflächenbehandelt worden war. Dieser Prozess erleichterte die Selbstorganisation von AgNPs auf dem Substrat. Eine systematische Evaluierung des Einflusses verschiedener experimenteller Bedingungen auf die Substratleistung führte zur Entwicklung eines SERS-Substrats mit exzellenter Leistung und einem Enhanced Factor (EF). Mit diesem Substrat wurden beeindruckende Nachweisgrenzen von 10-10 M für R6G (Rhodamin 6G) und ^10-8 M für Thiram erreicht. Das Substrat wurde erfolgreich zum Nachweis von Pflanzenschutzmittelrückständen auf Äpfeln eingesetzt und lieferte sehr zufriedenstellende Ergebnisse. Das flexible SERS-Substrat weist ein großes Potenzial für reale Anwendungen auf, einschließlich der Detektion in komplexen Szenarien.

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.

1. Synthese von Nanopartikeln

1. Herstellung von Silbernitratlösung
   1. Mit einer Präzisionswaage werden 0,0017 g Silbernitrat in AR-Qualität (AgNO₃, siehe Materialtabelle) abgemessen und zu 10 ml deionisiertem Wasser (DI) gegeben. Rühren Sie die Mischung um, um eine 10-3 mol/L_{AgNO3-Lösung} zu erhalten.
2. Herstellung des Silber-Ammoniak-Komplexes
   1. Nehmen Sie 1 ml Ammoniakwasser in AR-Qualität (NH₃. _H2O, siehe Werkstofftabelle) mit einer Spritze aufrufen und unter Rühren tropfenweise in die Silbernitratlösung geben. Stoppen Sie die tropfenweise Zugabe, wenn die Lösung klar wird.
3. Herstellung der Glukoselösung
   1. Mit einer präzisen Waage 0,36 g Glukosepulver in AR-Qualität (siehe Materialtabelle) abmessen und zu 10 ml DI-Wasser hinzufügen. Rühren Sie die Mischung gründlich um, um eine 0,2 M Glukoselösung zu erhalten.
4. Synthese von Silbernanopartikeln (AgNPs)
   1. Mit einer Pipettenpistole werden 30 μl des Silber-Ammoniak-Komplexes (hergestellt in Schritt 1.2) in Abständen von 30 Minuten zu der Glukoselösung (hergestellt in Schritt 1.3) gegeben. Wiederholen Sie diesen Vorgang 4-6 Mal unter Rühren, bis die Lösung gelb wird.

2. Vorbereitung von flexiblen Substraten

1. Vorbereitung des PDMS-Substrats
   1. Um das PDMS-Substrat zu synthetisieren, nehmen Sie etwa 5 g PDMS-A-Lösung und fügen Sie B-Lösung (aus einem handelsüblichen Kit, siehe Materialtabelle) in einem Verhältnis von 1:10 hinzu.
   2. Rühren Sie um und mischen Sie die PDMS-A- und -B-Lösungen gründlich.
   3. Das gemischte PDMS in eine quadratische Form geben und anschließend im 80 °C heißen Backofen 2 h backen.
   4. Nachdem Sie das PDMS durch den obigen Prozess ausgehärtet haben, schneiden Sie das PDMS mit einem Skalpell entlang des dunklen Gitters der Petrischale und erstellen Sie kleine PDMS-Würfel mit Abmessungen von ca. 1 cm x 1 cm.
2. Modifikation der Oberfläche
   1. Unterziehen Sie die oben genannten kleinen PDMS-Stücke einer Plasmabehandlung. Verwenden Sie einen tragbaren Plasmaprozessor (siehe Materialtabelle) und bewegen Sie ihn ca. 5-10 cm über der PDMS-Oberfläche hin und her, um eine Oberflächenplasmabehandlung durchzuführen.
   2. Verwenden Sie den Plasmaprozessor, um die Oberfläche zu modifizieren, indem Sie die Bildung von Hydroxylgruppen auf der PDMS-Oberfläche induzieren und sie hydrophil machen²⁷.
3. Modifikation mit APTES
   1. Bereiten Sie eine 10%ige APTES-Lösung vor (siehe Materialtabelle).
   2. Das in Schritt 2.2 erhaltene oberflächenmodifizierte PDMS wird in die APTES-Lösung getaucht und 10 h einwirken gelassen. Dadurch kann APTES an die Hydroxylgruppen auf der PDMS-Oberfläche binden.
4. Selbstorganisation von AgNPs
   1. Das in Schritt 2.3 erhaltene PDMS-Substrat wird 10 h lang in die in Schritt 1.4 synthetisierte AgNPs-Lösung getaucht. Dadurch werden die AgNPs selbst auf dem PDMS-Substrat zusammengebaut, wodurch das endgültige flexible SERS-Detektionssubstrat entsteht.

In dieser Studie wurde ein flexibles SERS-Substrat entwickelt, das aus synthetischen AgNPs besteht, die in Glukose eingewickelt und unter Verwendung von APTES auf PDMS selbstorganisiert sind, um eine hervorragende Detektionsleistung für praktische Pestizidnachweisanwendungen zu erzielen. Die Nachweisgrenzen für R6G und Thiram wurden beide bei 10-10 M bzw. ^10-8 M erreicht, mit einem Verstärkungsfaktor (EF) von 1 x ^{10 5}. Darüber hinaus zeigte das Substrat eine Gleichmäßigkeit.

Die in Glukose eingewickelten AgNPs wurden mit einer verbesserten Tollens-Methode^{synthetisiert 28,29}. Diese AgNP-Anordnung erzeugte nicht nur ein starkes SERS-Signal, sondern schirmte auch das Silber in den AgNPs effektiv vor Oxidation ab, wodurch die Detektionsleistung erhalten blieb. Auf den Bildern der Umweltrasterelektronenmikroskopie (ESEM) in Abbildung 2 erschienen die synthetisierten Partikel relativ einheitlich, wobei die meisten einen Durchmesser zwischen 40 und 50 nm aufwiesen. Die äußere Schicht der AgNPs war von einer Glukoseschicht umhüllt. Diese Struktur bildete eine dielektrische Schicht für die äußere Schicht der AgNPs und schirmte die Silberpartikel vor Oxidation ab, wenn sie der Luft ausgesetzt wurden, wodurch die SERS-Leistung erhalten blieb.

Es ist offensichtlich, dass sich zwischen den Lücken der AgNPs ein stark verstärktes elektrisches Feld bildet, das als Hauptursache für das SERS-Signal dient. Daher wird das Substrat mit AgNPs auf flexiblen Substraten dicht immobilisiert, um eine verbesserte Leistung zu erzielen (Abbildung 3). Das in dieser Studie entwickelte selbstorganisierte flexible SERS-Substrat ist einfach, hochwertig und frei von giftigen oder schädlichen Substanzen und damit umweltfreundlich.

Das in dieser Studie hergestellte flexible SERS-Substrat zeigte eine hervorragende Detektionsleistung. Um ein SERS-Substrat zu evaluieren, ist der entscheidende Aspekt seine Detektionsfähigkeit. Hier wurde der Enhancement Factor (EF) definiert, um die Enhancement-Leistung des Substrats zu bewerten, und R6G (siehe Materialtabelle) wurde verwendet, um die Nachweisgrenze zu bestimmen. Die EF wurde von³⁰ beschrieben:

EF = (I_SERS / I Raman) × (N_Raman / N _SERS)

Die Spitzenpositionen³¹ von R6G und die entsprechenden Werte sind in Tabelle 1 dargestellt.

In dieser Studie wurde das Raman-Spektrum mit einem 633-nm-Laser mit 10x- und 50x-Objektiven ermittelt. Die Integrationszeit wurde für die Spektralerfassung während der Messung auf 10 s festgelegt, wobei die einfallende Laserleistung bei 3,7 mW lag. Durch die Zugabe von 30 μl R6G-Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen auf das Substrat und die Beobachtung des Raman-Signals durch direkte Detektion zeigt Abbildung 4, dass das Substrat eine ausgezeichnete Detektionsfähigkeit aufweist und eine Nachweisgrenze von 10-10 M für R6G erreicht, was auf eine starke Detektionsleistung hinweist. Anschließend wurde unter Verwendung von ^10-5 M R6G als Testsonde der Verstärkungsfaktor (EF) des Substrats auf 1 x 10 5 berechnet (der Berechnungsprozess ist in der Zusatzdatei 1 detailliert beschrieben), was einen bemerkenswerten Verstärkungseffekt zeigt (Abbildung 5).

Das flexible SERS-Substrat ermöglichte den Nachweis von Pestiziden. Thiram, ein im Obst- und Gemüseanbau weit verbreitetes Pestizid für Dithiocarbamat (DTC), zielt darauf ab, Pilzkrankheiten zu bekämpfen und eine Verschlechterung während der Lagerung und des Transports zu verhindern³². Eine wiederholte Exposition oder Einnahme von Thiram-Rückständen kann jedoch zu gesundheitlichen Problemen wie Lethargie, Muskeltonusverlust und schweren fetalen Fehlbildungen führen^33,34. Daher ist der Nachweis von Thiram auf Spurenniveau auf den Oberflächen von Obst und Gemüse von entscheidender Bedeutung. Die Raman-Gipfel³⁵ von Thiram und ihre Ursachen sind in Tabelle 2 beschrieben.

Verschiedene Konzentrationen von Thiram wurden auf das flexible Substrat aufgetragen, um seine Detektionsleistung zu bewerten. Abbildung 6 zeigt, dass für die Thiram-Detektion die drei primären charakteristischen Peaks klar sind und die Nachweisgrenze bei ^10-8 m erreicht ist.

Das flexible Substrat ermöglichte praktische Detektionen. Im Alltag verbleiben manchmal Pestizidrückstände auf den Oberflächen von Früchten. Der Verzehr von ungewaschenen Früchten kann gesundheitliche Risiken bergen. In dieser Studie wurde das flexible SERS-Substrat mit einer "Paste-and-Peel-off"-Methode aufgetragen, bei der das Substrat auf der Oberfläche eines Apfels befestigt und dann zur Inspektion entfernt wurde.

Abbildung 7 zeigt, dass mit dieser Methode der Nachweis von ^10-7 M Thiram mit relativ klaren Spektrallinien erreicht wurde. So kann das hergestellte flexible SERS-Substrat die Nachweismethode "Paste and Peel-off" erleichtern, Pestizidrückstände auf Fruchtoberflächen effektiv identifizieren und wertvolle praktische Anwendungen bieten.

Das in dieser Studie vorgestellte flexible SERS-Substrat zeigte nicht nur eine bemerkenswerte Detektionsleistung, sondern bot auch praktische Anwendungsszenarien.

Abbildung 1: Schematischer Aufbau des flexiblen PDMS-SERS-Substrats. Abbildung zeigt das Design des flexiblen PDMS-Substrats (Polydimethylsiloxan), das für Experimente mit oberflächenverstärkter Ramanstreuung (SERS) verwendet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: ESEM-Aufnahme von synthetisierten AgNPs. Umgebungsrasterelektronenmikroskopie (ESEM) Bild mit den synthetisierten AgNPs (Silbernanopartikeln). Der Maßstabsbalken im Bild beträgt 2 μm, und der Durchmesser der AgNPs reicht von etwa 20 nm bis 50 nm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Simulation von AgNPs. Die Simulation zeigt AgNPs (Silber-Nanopartikel) mit signifikanter lokalisierter Feldverstärkung, die im Spalt zwischen den Partikeln auftritt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: SERS-Signale unterschiedlicher R6G-Konzentrationen. Oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS)-Signale, die für verschiedene Konzentrationen von R6G (Rhodamin 6G) erhalten wurden. Die Spitzenpositionen in der Abbildung stimmen mit denen in Tabelle 1 überein. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: SERS-Signale von R6G auf dem flexiblen Substrat. Oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS)-Signale von R6G (Rhodamin 6G), die von 10 zufälligen Punkten auf dem flexiblen Substrat gesammelt wurden, um die Gleichmäßigkeit zu demonstrieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 6: SERS-Signale verschiedener Thiram-Konzentrationen. Oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS)-Signale, die für verschiedene Konzentrationen von Thiram erhalten wurden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 7: SERS-Signale von Thiram auf der Fruchtoberfläche. Oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS)-Signale von Thiram, die von der Oberfläche eines Apfels mit der "Paste and Peel-off"-Methode gewonnen wurden. Die Nachweisgrenze erreichte ^10-7 M Thiram. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Tabelle 1: Raman-Verschiebung und Frequenzmodenzuweisung im R6G-SERS-Spektrum. Tabelle mit Raman-Verschiebungswerten und den entsprechenden Frequenzmodenzuweisungen im oberflächenverstärkten Raman-Streuspektrum (SERS) von R6G (Rhodamin 6G).

Tabelle 2: Raman-Verschiebung und Frequenzmodenzuweisung im Thiram SERS-Spektrum. Tabelle mit Raman-Verschiebungswerten und den entsprechenden Frequenzmodenzuweisungen im oberflächenverstärkten Raman-Streuungsspektrum (SERS) von Thiram.

Ergänzungsdatei 1: Berechnung des Verstärkungsfaktors (ER). Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

In dieser Studie wurde ein flexibles SERS-Substrat eingeführt, das AgNPs durch chemische Modifikation an PDMS bindet und eine hervorragende Leistung erzielt. Bei der Partikelsynthese, insbesondere bei der Silber-Ammoniak-Komplexsynthese (Schritt 1.2), spielt die Farbe der Lösung eine entscheidende Rolle. Die Zugabe von zu viel Ammoniakwasser kann die Qualität der AgNP-Synthese beeinträchtigen und möglicherweise zu erfolglosen Nachweisergebnissen führen. Während des Syntheseprozesses sollte auf die Substratmodifikation (Schritt 2.2) geachtet werden. Andernfalls können AgNPs nicht richtig an PDMS binden, was zu einer geschwächten Erkennungsleistung führt.

In praktischen Vorbereitungen kann die Detektionsleistung des SERS-Substrats eine Instabilität^{aufweisen 22}. Dies kann durch einen Wechsel des Lösungsmittels der Substanz optimiert werden. Zum Beispiel führt die Verwendung von Acetonitril als Lösungsmittel für Thiram zu besseren Ergebnissen als die Verwendung von Ethanol. Darüber hinaus kann sich die Qualität von Thiram auf das detektierte SERS-Signal auswirken, was unterstreicht, wie wichtig es ist, sicherzustellen, dass die verwendeten Reagenzien während des Nachweises innerhalb ihres Verfallsdatums liegen.

Im Vergleich zu anderen Studien^36,37,38 ist die in dieser Studie vorgeschlagene Detektionsmethode des flexiblen SERS-Substrats einfach. AgNPs können durch eine einfache Methode leicht synthetisiert werden, wodurch komplexe experimentelle Bedingungen und Umgebungen sowie komplizierte Herstellungsprozesse vermieden werden. Das Substrat ist umweltfreundlich und bringt keine schädlichen Schadstoffe ein. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Glukoseschicht um AgNPs herum die Verstärkungswirkung von Silberpartikeln schwächen kann, was darauf hindeutet, dass eine weitere Verbesserung des Verstärkungsfaktors (EF) des SERS-Substrats erforderlich ist. Das flexible SERS-Substrat, das mit der Methode in dieser Studie hergestellt wurde, erfordert auch weitere Untersuchungen zum Nachweis von Biomolekülen.

Das in dieser Studie vorgeschlagene flexible SERS-Substrat demonstriert die Anwendbarkeit in realen Szenarien, bereichert die Methoden zum Nachweis von Pestizidrückständen und hat erhebliche Auswirkungen. Darüber hinaus birgt das flexible SERS-Substrat in zukünftigen Anwendungen ein großes Potenzial für biomedizinische Anwendungen.

Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Die Forschung wird von der National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61974004 und 61931018) sowie dem National Key R&D Program of China (Grant No. 2021YFB3200100) unterstützt. Die Studie würdigt das Elektronenmikroskopie-Labor der Universität Peking für den Zugang zu Elektronenmikroskopen. Darüber hinaus bedankt sich die Forschung bei Ying Cui und der School of Earth and Space Science der Peking University für ihre Unterstützung bei Raman-Messungen.