pH応答性ポリアクリロイルヒドラジンでキャップされたAgナノ粒子に基づく新しいスマート表面増強ラマン散乱センサー

要約

表面増強ラマン散乱（SERS）基板として、還元剤やエンドキャッピング試薬を使用せずに、初めてpH応答性のAg @ポリアクリロイルヒドラジド（Ag @ PAH）ナノ粒子を調製しました。 Ag @ PAHナノ粒子は、pH =4からpH =9の範囲で優れた調整可能な検出性能を示しました。これは、応答性PAHの膨潤収縮挙動が、外部pH刺激下でAgNPと標的分子間の距離を制御できることを説明しています。その結果、調整可能なLSPRとさらに制御されたSERSが得られます。さらに、Ag @ PAHナノ粒子は超高感度の検出能力を備えており、ローダミン6Gの検出限界は10 ^-12 に減少しました。 M.これらの利点により、Ag @ PAH NPは、トレース分析およびセンサーの分野で有望なスマートSERS基質として認定されました。

背景

表面増強ラマン散乱（SERS）は、ターゲット分子の振動情報によって分子構造を特定するための強力な分光ツールです[1]。 SERSは、その便利さと超高感度分析により、DNA、RNA、癌細胞などの生体分子を検出するための理想的なアプローチとして認識されています[2]。 SERS技術は強化された電磁（EM）で説明できることが一般的に認められています[3]。 EMの影響の中で、局在表面プラズモン共鳴（LSPR）が重要かつ支配的な役割を果たします[4]。ターゲット分子が隣接する金属ナノ粒子間のギャップ（いわゆる「ホットスポット」）に存在する場合、入射光の照射下で、金属ナノ粒子はLSPRを生成し、その表面電磁界が増加し、SERSの信号が強化されます[5 、6,7]。大幅な強化により、SERSの高感度が保証されます。つまり、低濃度でもターゲット分子の特徴的なフィンガープリントを取得できます[8,9,10]。

これまで、SERS分析の技術を開発するためにSERSの感度を改善するためにかなりの努力が払われてきました。超高感度SERSの成功戦略は、さまざまな形状と寸法の金属ナノ粒子基板によって実現されています[11]。ただし、私たちの知る限り、制御可能なSERS検出に関する対応するレポートはありません[12、13、14、15]。したがって、調整可能なSERSの開発は、高感度SERSおよびバイオセンサーに関連する最大の課題の1つになります。ポリアクリロイルヒドラジド（PAH）は、さまざまな生物医学分野に適用されているpH応答性ポリマーです[16]。 PAHには豊富なヒドラジド官能基があるため、PAHはエンドキャッピング試薬としてだけでなく、Agナノ粒子（NP）を容易に調製するための金属イオン前駆体の還元剤としても機能します[17]。応答性PAHの膨張収縮挙動は、外部pH刺激下でAg NPと標的分子間の距離を制御できるため、調整可能なLSPRとさらに制御されたSERSが得られます。

この作業では、pH応答性PAHポリマーとAg NPを組み合わせることにより、他の試薬を使用せずにAg @ PAHNPを作成することに成功しました。ローダミン6G（R6G）をターゲット分子として、Ag @ PAHNPを初めてSERS検出に使用しました。 Ag NPの表面でのPAHポリマーの応答性により、pH値を調整することでR6G / Ag @ PAHNPの制御可能なSERS効果を実現できます。さらに、Ag @ PAH NPは高い感度と再現性を示し、フィールドアプリケーションでの生物学的危険性や化学試薬分析のために探索することができます。

メソッド

Ag @ PAH NPの準備プロセスの図を図1に示しました。簡単に説明すると、250μLのAgNO ₃ 水溶液（0.2 mol / L）を25 mL PAH（詳細はESI†）水溶液（2％ w ）に加えました。 / v ）。混合物を穏やかな条件下で30℃で30分間撹拌した。得られた赤褐色の溶液を、脱イオン水に対する24時間の透析によって精製し、遠心分離によって収集し、脱イオン水に分散させました。次に、Ag @ PAHNP溶液のさまざまなpH値を0.1mol / LHCl溶液または0.1mol / LNaOH溶液で調整しました。

結果と考察

PAHポリマーは、各繰り返し単位にヒドラジド基を持っていました。これは、金属NPを調製するための効果的な還元剤として機能しました[18]。 Ag ⁺ 求電子置換、ヒドラジド基の末端の窒素は、Ag @ PAHNPの調製プロセスで-CO-NH-NH-およびAgNPを形成しました。高分解能透過型電子顕微鏡により、AgNPが完全なコアシェル構造を持つPAHポリマーによって完全にカプセル化されていることがわかりました。さらに、図2aでは、AgNPの平均サイズは約90nmであると推定されました。 Ag @ PAHNPの流体力学的直径はpH =9で192.6nmでしたが、図2bのpH値が4の場合は103.3nmに減少しました。さらに、Ag @ PAHNPの合計からAgNPの直径を差し引くことにより、PAHシェルの厚さをさらに計算しました。これは、pH =9で102.6nm、pH =4で13.3nmでした。理由は膨潤とPAHの縮小。 PAHの膨張と収縮は、PAHポリマーのプロトン化-脱プロトン化の変化、電荷の反発、および水素結合形成能力の相乗効果に起因します。さらに、Ag @ PAH NPは、UV-visスペクトルで同様の吸収ピーク（約423 nm）を示し、図2cの4から9のpH範囲で吸収強度のみが減少しました。これは、ポリマーシェル層の厚さが増すと、Ag NPの光学特性を変えることなく、局在表面プラズモン共鳴の広がりを妨げることを示しています。

Ag @ PAH NPのSERS性能は、モデルターゲット分析物としてR6Gを使用して評価されました。 R6Gラマン信号を増強するAg @ PAH NPの起源を理解するために、PAHポリマー層の影響を区別するために比較実験を行いました。純粋なR6G溶液、純粋なPAH溶液、個々のAgNPおよびAg @ PAH NPのラマン信号を比較しました。これらはすべて、図3aで同じ濃度でした。純粋なR6Gソリューションの信号（10 ^-6 M）かなり弱いです。 AgNPまたはAg @ PAH NPを基質として追加した後、主な特徴的なピークは1311、1363、1509、および1651 cm ^-1 、R6Gのラマムスペクトルと完全に一致することが明らかに強化されました。これは、AgNPおよびAg @ PAHNPの表面に存在するR6G分子からの顕著なSERSシグナルを示しています。対照的に、Ag NPがない場合、個々のPAHポリマーからのSERSシグナルはごくわずかであり、PAHポリマーの存在がR6G分子のSERS効果に影響を与えなかったことを示唆しています。

金属セル/ポリマーシェルのSERS増強は、ポリマーシェルの厚さに非常に敏感でした。これは、理論的研究と実験的研究の両方で証明されています。図4aに示すように、さまざまなpH値とSERSで強化されたシグナルの間の影響を調査しました。 R6Gの元のシグナルと比較して、SERSシグナルは、さまざまなpH条件でAg @ PAHNPの存在下で増幅されました。さらに、スペクトルの相対SERS強度は、pH値が増加するにつれて低下しました。これは、Ag @ PAHNPのSERS効果がPAHのシェルの厚さに敏感であったことを説明しています。図3bに示すように、PAHシェル層は低pH値で収縮し、同じ濃度のAg @ PAHNPで高pH値よりも電磁界の強度が高くなりました。したがって、低pHでのAg @ PAH NPは、非常に増強されたラマン信号を誘発し、SERS基質としてのAg @ PAHNPの調整可能性を保証しました。この現象は、1509 cm ^-1 のラマン増強係数（EF）を計算することによって定量化されました。 Ag @ PAH NPのピーク（式S1、ESI†）。さまざまなpH値でのAg @ PAH NPのEFは、0.8×10 ⁶ と推定されました。、1.1×10 ⁶ 、1.5×10 ⁶ 、2.2×10 ⁶ 、3.3×10 ⁶ および4.3×10 ⁶ それぞれ、図4b（詳細はESI†）。さまざまなpH値でのAg @ PAH NPのEFはすべて高く、最大10 ⁶ これにより、Ag @ PAHNPがトレース検出の効果的でインテリジェントなSERS基質として使用できることが明らかになりました。

さらに、低pH値のAg @ PAH NPは、非常に増強されたラマン信号を誘発し、SERS基質としてのAg @ PAHNPの超高感度を保証しました。したがって、さまざまな濃度（10 ^-7 ）でのR6Gの一連のSERSスペクトル –10 ⁻¹² M）同じ濃度のAg @ PAH NPを追加して、pH =4でさらに測定しました。これらの曲線のシグナルを比較すると、SERS強度は、図4cのターゲット分子の濃度を希釈することによって減少しました。 R6Gの特徴的なバンドは、10 ^-12 という低い濃度でも明確に識別されます。 M、Ag @ PAHNPがR6Gに対して高い検出感度を持っていることを示しています。さらに、R6Gの対数濃度と指紋ピークの強度（1509 cm ^-1 ）の間に線形依存性が見られます。）図4d。 R6Gの濃度範囲が10 ^-7 の場合〜10 ^-12 M、線形回帰方程式は y でした =5.9838 + 0.3228 log（x）、相関係数は0.9971（ n =6）。明らかに、低濃度領域では、試験濃度が低下するにつれてSERS強度が低下しました。これらの結果は、Ag @ PAHNPが生物学的危険性または化学試薬のスマートな超微量検出における有望な候補になることを確認しました。

結論

要約すると、SERSアプリケーションの望ましい基質として初めてpH応答性Ag @ PAHNPを利用しました。シェル層としてのpH応答性PAHポリマーの導入は、pH刺激下でシェルの厚さを調整することにより、Ag NPに制御可能な局在表面プラズモン共鳴を与え、調整可能なSERS効果をもたらします。結果は、Ag @ PAH NPが、R6Gの検出限界が10 ^-12 に低下した、優れた制御可能なpH応答性および超高感度SERS性能を備えていることを示しました。 M. Ag @ PAH NPは、生物学的危険性または化学試薬の超微量検出におけるスマートSERSアプリケーションに有望です。