テフロンフィルム上に超疎水性SERS基板を製造するための単純なレーザーアブレーション支援法

背景

表面増強ラマン散乱（SERS）は、超希薄溶液の場合でも特徴的な分子の振動指紋を取得するための有望な超高感度分光技術であるため、1974年の発見以来、すでに一般の人々の間で大きな関心を呼んでいます[1 2,3,4,5]。金属表面近くの巨大な電磁場は、表面プラズモンと呼ばれる自由電子の光励起集団振動に由来するSERSの支配的な増強因子です。その結果、得られた強力な分子ラマン信号は、主に、電磁場が大幅に強化された金属表面近くのナノギャップまたは裂け目、いわゆるホットスポットにある分子に由来します。

以前の研究では、SERS基板を製造するために、さまざまな形態のAgまたはAuナノ粒子がガラスまたはシリコンウェーハ上に堆積するように導入されました[6、7、8、9]。残念ながら、ガラス、シリコンウェーハ、およびその他の頻繁に使用される基板は親水性であるため、溶媒に分散したナノ粒子は蒸発後に基板上に自由に分散し、ナノ粒子間の距離が非常に大きくなり、より大きな電磁界を形成することが困難になります。強化。溶質の拡散を考えると、溶質を小さな領域に集中させ、ナノ粒子を密集させ、分子をホットスポット領域に入れることで、目標の向上を実現できる方法が期待できます。分子のラマン信号。したがって、一連の考えは、影響力のあるSERS基板を製造するための別のアプローチを提供します。最近、この概念に基づいて、Ag-NPで装飾されたSi円筒形マイクロピラーアレイ基板、銀ナノ粒子でコーティングされた酸化亜鉛ナノロッドアレイなど、高度な強化と再現性の向上により、さまざまな疎水性または超疎水性基板がアクティブSERS基板としてすでに報告されています。超疎水性基質など[10、11]。その理由は、超疎水性表面が、水の蒸発後に溶液に溶解した溶質を小さな範囲に効果的に組み立てることができるためです。ただし、多くの超疎水性基板は、固有のマイクロ/ナノ構造のために溶質の損失を引き起こします[12、13]。一方、これらの基板を製造するプロセスは、多くの場合、時間がかかり、複雑であり、これらの基板は通常、高価である。通常、水全体が室温で揮発するのに数時間かかるため、実際のアプリケーションでの迅速な検出と分析が制限されます。これらの欠点があるため、超疎水性SERS基板を現実の世界で広く普及させることは困難です。

この論文では、テフロン（PTFE）上にSERS基板を製造するためのレーザーアブレーション支援法を提案しました。表面の濡れ性は、レーザー彫刻技術によって変化します。適切なレーザー彫刻パターンを設計し、彫刻の適切なパラメーターを設定することにより、マイクロアレイを備えた1種類の超疎水性PTFE基板が得られます。マイクロアレイは疎水性であり、レーザー彫刻から生成される超疎水性領域に囲まれています。

特殊な基質のおかげで、水に溶解した溶質は、溶媒の蒸発後、わずか10分で疎水性の小さな円にうまく集めることができます。生物学実験室の24ウェルプレートと同様に、仮想ウェルを備えた開発されたSERS基質は、分子とその濃度を便利に検出できます。さらに、取得したSERS基板のコストはわずか20 RMBで、製造プロセス全体に20分かかります。全体として、低コストで信頼性が高く、実用的でアクティブなSERS基板が製造されており、この作業での検出結果に影響を与えることなく、高速蒸発を実現できます。

メソッドと実験

資料

硝酸銀（99.99％）、PVP（Mw =58,000、K29-32）、水素化ホウ素ナトリウム（NaHB ₄ ）、エチレングリコール（EG）、メチレンブルー（MB）、およびローダミン6G（R6G）は、Shanghai Aladdin biochemical Polytron Technologies Inc.（Shanghai、China）から購入しました。ウシ血清アルブミン（BSA）は、Sigma-Aldrich（タウフキルヘン、ドイツ）から購入しました。すべての化学物質は、さらに精製または処理することなく、受け取ったままの状態で使用されました。高純度の脱イオン水（18.25MΩ・cm）は、Aquapro AWL-0502-H（Aquapro International Company LLC。、米国デラウェア州ドーバー）を使用して製造されました。購入したままのテフロン（PTFE）を直接使用しました。これはオンラインで広く市販されており、サイズは50×30×5mmでした。

Agナノ粒子の合成

Agナノ粒子は以前の合成方法に従って合成されました。実験過程では、EG溶液を導入して固体または粉末を溶解しました。最初に、6mLのEG溶液を100mLフラスコに加え、次にフラスコを1時間撹拌しながら165°Cの温度の油浴に移しました。次に、0.08mLのNaHB ₄ 溶液（0.0015 mg / mL）、1.5 mLのPVP溶液（20 mg / mL）、および0.4mLのAgNO ₃ 溶液（48 mg / mL）を、20分間攪拌することにより、それぞれ前のフラスコに順番に追加しました。その後、灰色の銀コロイドが得られた。 Agナノ粒子は、遠心分離によって溶液から得ることができ、エタノールで4回以上洗浄することができました。最後に、さらなる実験のためにサンプルを水に分散させた。脱イオン水を使用して、調製したままのAgナノ粒子をさまざまな濃度の銀コロイドに調製し、その濃度を1.19×10 ^-11 と推定しました。 、1.19×10 ⁻¹² 、1.19×10 ⁻¹³ 、1.19×10 ^-14 、および1.19×10 ^-15 M。

刻印されたPTFEの製造

購入したオリジナルのPTFEを水とエタノールで3回以上すすいだ。次に、洗浄した元のPTFEをCO ₂ で彫刻しました。 追加ファイル1に示されているCADデザインに基づくレーザー彫刻機：レーザー彫刻を使用した図S1（出力：16〜24％、彫刻速度：35〜75 mm / s、彫刻ステップ長：0.02〜0.10 mm）。

特性評価

刻印されたオリジナルのPTFEの表面形態は、SEM（TESCAN MIRA 3 FE）によって取得されました。元のPTFEと刻印されたPTFEにそれぞれ5マイクロリットルのAgナノ粒子水溶液を滴下し、高速カメラ（Phantom V 7.3）を使用して室温での蒸発プロセスと静的水接触角の画像を取得しました。静的水接触角の値は、1つのタイプの定規商用ソフトウェアによって測定されました。

5μLのAg溶液を2滴、元のPTFEと刻印されたPTFEにそれぞれ滴下しました。その後、それらはオーブン（70°C）に入れられます。蒸発後、2つの表面に凝集したAgナノ粒子は、それぞれ光学顕微鏡とSEMによって特徴づけられました。刻印されたPTFEに5μLのAgコロイド水溶液をもう一滴滴下し、室温で蒸発させた後、Agナノ粒子凝集体のSEM画像を取得しました。

典型的なSERS分析では、同じ濃度と体積（5μL）のAg水溶液を、元のPTFE基板と刻印されたPTFE基板にそれぞれ堆積させて、強化された地下室を形成しました。次に、モル濃度が異なる（10 ^-9 ）MBとR6Gの水溶液5μL 、10 ^-11 、10 ^-12 、10 ^-13 、および10 ^-14 M）をプローブとして強化基板上に置き、乾燥オーブン（70°C）で乾燥させ、633 nm He–Neレーザー（10 mW）を使用したラマン分光器でSERS活性を測定しました。報告されているように、分子はこの温度でSERS活性を維持することができます[12]。異なる濃度（20、2、0.2、0.02、および0.002μg/ mL）のBSAの5マイクロリットルの水溶液を強化された基板上に置き、オーブン（40°C）で乾燥させ、SERS活性を633 nm He–Neレーザー（10 mW）を使用したラマン分光器。 BSAの生物活性を維持するために、蒸発温度は40°Cに設定されました[14]。信号は、すべての測定で20秒ごとに1回のスキャンで取得されました。

結果と考察

実験のプロセスを図1に示します。元のPTFE表面の湿潤性は、追加ファイル1：図S1に示すCAD設計を使用したレーザー処理によって変更され、未処理のものを除いて表面全体が超疎水性になりました。疎水性の表面である領域（円の直径：0.5 mm、ギャップ：0.8 mm）。刻印されたPTFEの写真は、追加ファイル1：図S2に示されています。その後、Agコロイド溶液（5μL）を刻印されたPTFEに滴下し、オーブン（70°C）で蒸発させました。約10分後、超疎水性表面の反発性が高いため、Agナノ粒子が円（疎水性表面）に凝集し、活性なSERS基板が得られました。まず、ローダミン6G（R6G）とメチレンブルー（MB）をプローブ分子として使用し、製造されたSERS基板のSERS性能を調査しました。以前に堆積したAgナノ粒子を覆う彫刻されたPTFEに分子溶液を1滴滴下しました。超疎水性構造の撥水性のため、分子液滴は蒸発の過程でますます厚くなり、ナノ粒子間のギャップのホットスポット領域に分子を効果的に濃縮します。興味深いことに、高温の蒸発は、実験結果に影響を与えることなく迅速な分析を達成するために溶媒の蒸発を加速するだけでなく、70°Cでの溶質の凝集に悪影響を与えることはほとんどありませんでした。

実験プロセスの概略図

溶質を濃縮する能力に関して、彫刻されたPTFEが元のPTFEよりも優れている理由をさらに説明するために、2種類のPTFE基板の高速ビデオカメラを使用したSEM画像と蒸発プロファイルを取得して図2に示します。 PTFEが刻印されると、レーザーは元のPTFEの滑らかな表面を破壊および除去し、表面の粗さを変化させ、マイクロ/ナノ構造をPTFEに表示させる可能性があります。図2aでは、彫刻されたPTFEの場合、未処理の円の表面はすべて比較的滑らかな表面を示していますが、彫刻された領域はマイクロ/ナノ構造で装飾されており、PTFEが超疎水性PTFEに変わります。一方、接触角の画像は、図2aの下部に示すように、刻印されたPTFEの静的水接触角が元の接触角よりもはるかに大きく、角度の値（刻印されたPTFE）が151.8°であることを示しています。超疎水性構造に必要な静的接触角の値[15]。高速ビデオカメラを使用して、5μLのAgコロイド溶液の液滴が元のPTFEと刻印されたPTFEにそれぞれ室温（R.T.）で蒸発する蒸発プロセスを観察および記録しました。蒸発プロセスには時間がかかるため、図2b（元のPTFE）と図2c（刻印されたPTFE）に示すように、蒸発プロセスの開始と終了の蒸発プロファイルをそれぞれキャプチャして、プロセスを直感的に説明しました。元のPTFEの場合、蒸発中に、溶液と基板表面の間の接触面はほとんど減少しません。対照的に、図2cに示すように、彫刻されたPTFEの接触面には比較的明らかな減少が見られます。その理由は、マイクロ/ナノ構造の撥水性が、R.T。の間に液滴を疎水性の円の領域に徐々に収縮させるためです。蒸発、接触面積の減少に貢献します。図2bとcを比較すると、製造されたPTFE上のAgナノ粒子が、元のPTFEよりもはるかに小さな領域に収集されていることが直接観察できます。特別な超疎水性表面（疎水性表面と超疎水性表面の交互分布）では、溶液がマイクロスケールまたはナノスケールのテクスチャに固定されず、蒸発後に溶質の大部分がこれらの円に収集されることを強調することが重要です。追加ファイル1：図S3。言い換えると、特殊な超疎水性表面は、蒸発後に分析物がマイクロ/ナノ構造に残り、溶質の損失とSERS信号の弱化を引き起こすという一般的な超疎水性材料の欠点を回避できます。

a 元のPTFEと刻印されたPTFEに関する基板表面のSEM画像、および対応する静的接触角画像。 b 元のPTFE上の溶液の蒸発プロファイル。 c 刻印されたPTFE上の溶液の蒸発プロファイル

高温蒸発（70°C）下で元のPTFEと比較してAgナノ粒子が彫刻されたPTFEに密集していることを視覚的に観察するために、図に示すように、光学顕微鏡画像と異なる倍数のSEM画像があります。それぞれ3。調製されたままのAgナノ粒子のSEM画像は、追加ファイル1：図S4 [16]に示されています。コーヒーリング効果により、すべての水が完全に蒸発した後、図3aに示すように、Agナノ粒子の大部分が端に集まり、残りのナノ粒子は元のPTFEの大部分の領域を占める中央に分散します。 –g。刻印されたPTFEに関しては、図3h–kに示すように、高温環境での蒸発プロセス後、Agナノ粒子が小さな円に蓄積し、コーヒーリング効果はありませんでした。図3aとhを比較すると、彫刻されたPTFE上のAgナノ粒子の凝集の最終的な面積は元のPTFEのほぼ25分の1であることに注意してください。蒸発時間を短縮するために、サンプルをオーブンに入れました。特に、高温蒸発は、R.T。と比較してナノ粒子をよりコンパクトにする可能性があります。追加ファイル1に示されている蒸発：図S5。考えられる説明は、急速な蒸発により、Agナノ粒子がより迅速に凝集する可能性があるということです。ただし、非常に高い加熱温度では分析対象物分子の構造が劣化し、SERS信号が低下する可能性があるため、蒸発温度を高くしすぎることはできません。急速な蒸発のため、SERS基板の準備に多くの時間を節約できます。要約すると、製造された基板は、5μLのAg溶液の場合、溶質を10分以内にはるかに小さな領域に効率的に濃縮できます。

a – c 光学顕微鏡の画像と d – g 異なる倍数の元のPTFE上でのAgナノ粒子凝集のSEM画像。 h 、 i 光学顕微鏡の画像と j 、 k 異なる倍数の彫刻されたPTFE上に凝集したAgナノ粒子のSEM画像。オレンジ色の小さなボックス全体が拡大された領域を表し、白い点線がAgナノ粒子蓄積の最終領域を囲んでいます

PTFEを彫刻する検知能力は、表面の疎水性、検知領域のサイズ、およびAgナノ粒子の初期濃度に大きく依存するため、指定されたPTFE基板を製造することによってこれらのパラメータを調査します。 1322 cm ^-1 での主なラマンピーク強度 MBの（1×10 ^-9 M）はさまざまなSERS基板で得られます。彫刻されたステップ長、出力パワー、彫刻速度、および円の直径のサイズが表面の疎水性に及ぼす影響を調査します。刻印されたステップ長、出力パワー、刻印速度、および円の直径が互いに制限し、基板の検知能力に影響を与えることに注意する必要があります。各要因がセンシング能力にどのように影響するかをより明確に理解するために、3つの変数は同じままで、そのうちの1つが変更されています。

図4aに示すように、接触角（赤い線）とラマン強度（黒い線）は、彫刻ステップの長さが長くなるにつれて減少します。その理由は、彫刻ステップの長さが短いほど、マイクロ/ナノ構造が密になるためです。円の外側のより高密度のマイクロ/ナノ構造の助けを借りて、溶質をこれらの小さな円にうまく濃縮することができ、その後、基板の検知能力が向上します。レーザー彫刻機の精度には限界があるため、この作業では0.02mmが最小の彫刻ステップ長です。図4bに示すように、出力パワーの増加に伴い、接触角は増加しますが、ラマン強度は最初に増加し、次に減少する傾向を示します。出力パワーの増加に伴い、元のPTFEが破壊され、強力なレーザーによってアブレーションされ、基板の表面により多くのマイクロ/ナノ構造がもたらされました。より多くのマイクロ/ナノ構造のために、接触角の増加によって証明されるように、基板の表面はより疎水性になります。特に、余分なマイクロまたはナノ構造は、分子ラマン信号の増強に悪影響を及ぼしました。その理由は、十分なマイクロ/ナノ構造により基板が超疎水性になり、分析物を疎水性の円に濃縮できるためですが、レーザー出力の増加に伴い、余分なPTFEフラグメントが小さな疎水性の円を覆いやすくなります。その後、溶質は蒸発プロセス後にマイクロ/ナノ構造に残り、溶質の損失を引き起こし、ラマン強度の弱体化につながります。 20％出力レーザーによって製造された彫刻されたPTFEが最適なSERS基板であると結論付けることができます。

a 接触角、ラマン強度、彫刻速度の関係（出力：20％、彫刻速度：55 mm / s、円の直径：0.5 mm、Ag濃度：1.19×10 ^-12 M）。 b 接触角、ラマン強度、出力の関係（彫刻ステップ長：0.02 mm、彫刻速度：55 mm / s、円の直径：0.5 mm、Ag濃度：1.19×10 ^{− 12} M）。 c 接触角、ラマン強度、および彫刻速度の関係（彫刻ステップ長：0.02 mm、出力電力：20％、円の直径：0.5 mm、Ag濃度：1.19×10 ^-12 M） d 接触角、ラマン強度、円の直径の関係（彫刻ステップ長：0.02 mm、出力パワー：20％、彫刻速度：55 mm / s、Ag濃度：1.19×10 ^{− 12} M）

図4cでは、彫刻速度が上がるにつれて、接触角が減少し、ラマン強度が上昇してから低下します。図4bおよび図4cの接触角と比較すると、PTFEの表面での彫刻速度の影響は出力電力の影響と反対であると結論付けられます。その理由は、レーザー速度が上がると、PTFE表面のレーザーポイントの露光時間が短くなり、元のPTFEのアブレーションが少なくなるためです。したがって、生成されるマイクロ/ナノ構造が少なくなり、接触角が減少します。ラマン強度と彫刻速度の関係によると、55 mm / sのレーザー速度で生成されたSERS基板が最高の検出能力を備えています。そのため、実験では刻印速度として55 mm / sを選択しました。図4dに示すように、接触角とラマン強度は、円の直径が大きくなるにつれて減少します。円は未処理のPTFEであるため、これらの領域は元の濡れ性、つまり疎水性の状態を維持します。刻印されたPTFE基板に溶液を滴下すると、液滴は疎水性の円にとどまる傾向があります。円の横にある超疎水性構造の撥水性により、刻印されたPTFEの液滴の接触角はかなり大きくなります。円の直径が大きくなると、液滴と表面の接触面積が大きくなり、液滴は回転楕円体ではなくゆっくりと平らになります。異なる基板上の液滴の体積が同じであるため、接触角は徐々に減少します。この効果により、彫刻用PTFEの表面が超疎水性から疎水性に変化し、溶質の濃縮に影響を及ぼし、溶質が失われ、最終的にラマン信号が弱くなる可能性があります。同時に、円の直径が大きくなると、Agナノ粒子はより大きな領域に分散し、Agナノ粒子間のギャップが大きくなり、SERS信号が弱まります。一方、円の直径が大きくなると、分析物がより広い領域に分散し、SERSの検出が困難になります。要約すると、分子のラマン強度は、円の直径が大きくなるにつれて弱くなります。レーザー彫刻機の精度には限界があるため、最小の円の直径は0.5mmです。

その間、Agナノ粒子の初期濃度は、追加ファイル1：図S6に示されているSERS強度にも影響します。 Agナノ粒子の濃度が高くなると、ラマン強度は劇的に上昇し、その後安定する傾向があります。 Agナノ粒子の増加に伴い、基板上に「ホットスポット」が増え、ラマン信号が増加します。より詳細な議論は、補足情報で提供されました。 Agナノ粒子を節約するために、1.19×10 ^-12 Agナノ粒子の初期濃度としてMAgコロイド溶液が選択されます。要約すると、この作業では、0.02 mmの彫刻ステップ長、20％の出力、55 mm / sの彫刻速度、0.5 mmの円の直径、1.19×10 ^-12 MAgナノ粒子が選択されました。

同じ基板上で複数の検出を実現するために、細胞培養用の24ウェルプレートと同様に、刻印されたPTFEを24ウェルプレートに作成しました（図5a）。得られた基板は、同じ彫刻されたPTFE上で同時に異なる物質を検出することができます。一方、刻印されたPTFE表面のマイクロ/ナノ構造は、2つの異なる液滴間の仮想ウェルとして機能し、異なる液滴が融合するのを防ぐことができます。マイクロアレイを備えた彫刻されたPTFE基板の利点をさらに説明するために、比較のために元のPTFEが選択されました。 MB分子のSERSスペクトルを図5bに示します。マイクロアレイで得られたMBのSERS信号強度は、元のPTFEと比較して明らかに大幅に向上しています。図3によると、元の基板上で蒸発するAgナノ粒子は、彫刻されたPTFEよりもはるかに広い領域に拡散する傾向があることがすでに知られています。したがって、元のPTFE上に分散しているAgナノ粒子は遠く離れています。エッジ上でも互いに影響し合い、ラマン信号が不十分になります。ただし、マイクロアレイを備えたPTFEに関しては、大量のナノ粒子を一緒に集めることができ、ナノ粒子間の距離を短くすると、SERS信号を強化できます。以前に報告されたように[17,18,19]、ギャップのサイズが小さいほど、2つのナノ粒子間のギャップの電磁場は強くなります。一方、刻印されたPTFEは、元のPTFEがそうではないのに、分析物分子を超希釈水溶液に濃縮する能力を持っているため、元のPTFEと比較して刻印されたPTFEの入射レーザースポットの焦点領域内により多くの分子が生じます。一方、超疎水性凝縮効果により、基板は分子をホットスポット領域に送達するのに役立つ可能性があります[20]。分子のSERS信号を取得する可能性が高いことは、アクティブなSERS基質のもう1つの非常に重要な要素であることは注目に値します。刻印されたPTFEでMB分子を検出する確率が、元のPTFEで検出される確率よりも高いことを証明するために、体系的なマッピング測定が実行され、分子の濃度は1×10 ^-9 です。 M、追加ファイル1に示すように：図S7。図5c、dは、刻印されたPTFESERS基板上に収集されたMB分子とR6G分子のスペクトルをそれぞれ示しています。 MB分子のラマン信号は分子濃度の低下とともに徐々に弱まり、メインピークを識別でき、検出限界濃度は1×10 ^-14 であることが示されています。 M、図5cに示すように。さらに、図5dに示すように、同様の結果がR6Gスペクトルによって見られます。生物学的用途における刻印されたPTFEの利用を証明するために、タンパク質であるウシ血清アルブミン（BSA）を使用して、開発されたSERS基板の性能をテストしました。水中でさまざまな濃度のBSAが検出され、ラマンスペクトルが図5eに示されています。さらに、さまざまな基板上で、またはさまざまな方法を使用して検出されたMB、R6G、およびBSAの限界検出は、追加ファイル1：表S1にリストされています。

a 刻印されたPTFE上の物質を検出するための概略図。 b 同じ濃度（1×10 ^-9 ）のMB分子のSERSスペクトル M）は元のPTFEと刻印されたPTFEでそれぞれ得られました。 c 、 d 、および e それぞれさまざまな濃度のMB分子、R6G分子、およびBSAのSERSスペクトル

結論

要約すると、低コストでアクティブな超疎水性SERS基板は、適切な彫刻パラメータとパターンを介してPTFEを彫刻することによって製造されました。これにより、1つの同じ基板で複数の検出を実現できます。元のPTFEと彫刻されたPTFEの接触角画像と蒸発プロファイルを比較することにより、彫刻されたPTFEはより優れた疎水性を持ち、基板表面の接触面積を減らすことに成功します。さらに、彫刻された領域のSEM画像は、彫刻されたPTFEがマイクロまたはマイクロ/ナノ構造のためにより優れた疎水性を持っている理由を明らかにしています。さらに、マイクロアレイを備えたPTFEは、2つの基板上でのAgナノ粒子の凝集に関するSEM画像を取得することにより、元のPTFEと比較して非常に小さな領域にAgナノ粒子を収集し、多数のホットスポットを生成する可能性があります。刻印されたPTFE表面に。 MBラマンスペクトルの強度（10 ^-9 M）刻印されたPTFEで得られたものは、元のPTFEと比較して大幅に強化されています。 R6GとMBの最低濃度は1×10 ^-14 であることに注意してください。 製造された超疎水性SERS基板上でMが検出されました。一方、基質はBSA（0.002μg/ mL）の検出に使用できることが証明されています。全体として、この論文では、一種の安価で高感度でアクティブなSERS基板は大きな商業的価値を持ち、多くの分野で使用できます。

略語

BSA：

ウシ血清アルブミン

EG：

エチレングリコール

MB：

メチレンブルー

NaHB ₄ ：

水素化ホウ素ナトリウム

PTFE：

テフロン

R.T。：

室温

R6G：

ローダミン6G

SEM：

走査型電子顕微鏡

SERS：

表面増強ラマンスペクトル