Auナノ粒子で調整されたシリカ珪藻殻により、生物学、安全、環境アプリケーション向けの分子の高感度分析が可能になります

背景

珪藻は地球上に大量に存在する単細胞藻類であり、水生（海、湖、川）および半水生（湿地および土壌）のニッチに10万種以上が分布しています。それらは、海洋の全有機物含有量の推定40〜50％、および生物圏での二酸化炭素の有機化合物への変換（すなわち、光合成）の約20％に寄与します[1,2,3]。

珪藻は、複雑なマイクロメートルスケールの構造と種間で異なる細孔サイズを備えた機能的な二酸化ケイ素シェル（フラスチュール）によって保護されています。珪藻の殻はその微細構造により、最大1700 kN m / kgの比強度の値を示し、スパイダーシルク（1000 kN m / kg）を含む他の天然の細胞、複合材料、および絹の材料よりもはるかに優れています[4,5、 6,7]。さらに、フラスチュール表面に整列した細孔の格子の規則性と対称性により、多くの場合、珪藻フレームは自然な光学特性を示し、細孔の形状とトポロジー、波長、およびバルブに応じて、光の収束、集中、およびトラップ効果を明らかにしますオリエンテーション[8,9,10,11,12]。

したがって、珪藻は（人工とは対照的に）自然で、豊富で、低コストで、簡単にアクセスできる3次元のマイクロまたはナノスケールの構造であり、製造に従来のナノファブリケーション技術を必要とせず、そのスケール、形態から見て、およびその特性は、ミニチュアセンサー、ドラッグデリバリーカプセル、およびその他のマイクロデバイスとして利用される可能性を示しています[2、13、14]。それにもかかわらず、この約束にもかかわらず、ナノテクノロジーにおける珪藻の用途は比較的少ない[15,16,17]。おそらく、珪藻の殻は多くの構造に必要なサポートを表しているが、これらの構造に正しい機能。

この手紙 、Auナノ粒子でシリカ珪藻殻を機能化する方法を示します。これにより、階層設計で複数のスケールを持つデバイスが作成されます。各シェルは、平均直径 d の二酸化ケイ素シリンダーです。 〜8μmおよび高さ h 〜10μm（図1aおよび追加ファイル1）。シェルの表面には、ほぼ円形の細孔の密なパターンが組み込まれており、そのサイズは狭い間隔で変化します p _s =200±40nm（図1b、c）。次に、金のナノ粒子がシェルの外面に均一に分布し、粒子の平均直径は Au − np _s 約20nmで、平均値の周りにわずかな偏差があります（図1b、c）。珪藻土はここでは珪藻土に由来します。これは低コストで、理論的には無制限のフラスチュールの発生源です（追加ファイル2）。この方法では、短時間で大量のナノデバイスが生成されます（図1d、e）。

平均直径が d のマイクロメートルの円柱のように見える二酸化ケイ素珪藻の殻に対するアーティストの印象 〜8μmおよび h より大きい高さ>10μm、細孔の配列が珪藻の外面を飾ります（ a ）。低（ b ）で取得された金ナノ粒子（D24システム）で機能化されたシリカシェルのSEM顕微鏡写真 ）および高（ c ）倍率。これらから、ランダムに分布した金ナノ粒子で装飾された珪藻表面に浸透する細孔の規則的なパターンを観察できます。細孔サイズは約200 nm、粒子サイズは約20nmです。ラージフィールドSEM（ d ）および光学（ e ）D24システムの画像は、大量のマイクロデバイスを製造するための機能化プロセス機能を評価します。蛍光50nm黄色ミクロスフェアとのインキュベーション後のD24システムの蛍光顕微鏡検査により、デバイスの選択性、特異性、感度が明らかになります（ f ）

デバイスは、さまざまなスケールを統合します。 （i）シェルのサブミリメートルの寸法により、システムの操作、処理、およびアクセスが可能になります。 （ii）細孔のマイクロメートルサイズは、分子の収集、選択、および（デバイスのより洗練された進化において）断片化を可能にします。 （iii）ナノメートルサイズのAu–NPにより、外部電磁（EM）放射の制御と増幅が可能になります。したがって、階層型マルチスケールアーキテクチャにより、溶液から特定の分析分子ターゲットを抽出し、非常に少ない存在量範囲でも表面増強ラマン分光法（SERS）を使用してそれらを特徴付けることができます。蛍光50nmミクロスフェア（Fluoresbrite®YellowGreenMicrospheres-追加ファイル3）とのインキュベーションとその後の蛍光分析により、デバイスの局在、選択性、特異性、およびバックグラウンドからの信号の欠如（ノイズ）が示されます（図1f）。

結果

Au–NPによる機能化

珪藻土（DE）をピラニア溶液で洗浄して、有機残留物を除去しました。次に、サンプルを希釈した2％フッ化水素酸（HF）溶液で120秒間維持して、小さな断片を取り除き、珪藻の表面を粗くし、Auの核形成を促進しました。次に、光蒸着プロセスを使用してAu–NPで装飾されたサンプル。シェルをテトラクロリド金の0.1％溶液（HAuCl ₄ ）を含むDI水に懸濁しました。 ）イソプロピルアルコールで、UVA / UVB Osram UltraVitaluxランプで照らします。照射時間、溶液中の珪藻殻の濃度、およびクロロ金酸の量をかなりの間隔で変化させて、さまざまなナノ粒子の形態を生成しました。現在の構成では、50mlの溶媒に20mgのシェルを使用し、5分ごとに30μlのクロロ金酸を適時に注入し、合計1時間使用しました。この方法は、無電解堆積の場合のように、金イオンを金属金に電気化学的に還元することを意味しないことに注意してください[18、19]。以下では、Au–NPsで機能化された珪藻殻を略語D24で示します。 X線光電子分光法（XPS）を使用して、D24システムの特性を評価しました。高分解能XPSスペクトルは、パワー P を使用して取得されました。 =100 W、ビームエネルギー e =11.7 keV、解像度δe =0.1 eV、 t の蓄積時間 =最小20分。スペクトルのピークは、284.8evの結合エネルギーでの炭素ピークC1を基準にしています。図2に、機能化前後のシステムのXPSスペクトルを示します。機能化後、D24システムは金属金（84 evの結合エネルギーでコアバンドAu4f5）の出現と、Au4d3（353 eV）、Au4d5（334 eV）、Au5d3（6 eV）に関連する価電子帯の痕跡を表示することを確認します。 ）。また、ナトリウム（Na1s、1071 eV、および497 eVのオージェピーク）とシリコン（Si2s、150および97 eVの2p）の痕跡も観察されます。これらは、ナノ粒子の液滴堆積に使用される基板内の汚染物質に起因します。スペクトル内の炭素（C1s）の存在は偶然であり、製造プロセスとは関係ありません。これは、大気中に含まれる通常レベルの炭素が珪藻表面に自発的に吸着することから生じます。ナノ粒子を合成するための提示された方法は、珪藻の外面および細孔内でのナノ粒子の形成を可能にする。追加ファイル1に示されている追加の走査型電子顕微鏡（SEM）画像は、ダイアトムの細孔マトリックスの奥深くにAuナノ粒子が堆積していることを示しています。したがって、多孔質マトリックスの細孔は分析物の隔離、固定化、および保持を可能にしますが、金ナノ粒子アレイはSERS効果と非常に低い存在量範囲の分析物の検出を可能にします。これらの効果は緊密に織り交ぜられています。

金ナノ粒子による機能化の前（下の図）と後（上の図）の二酸化ケイ素珪藻殻のXPSスペクトル

D24 / Au–NP周辺の電磁界のシミュレーション

コンピューターシミュレーションと有限要素解析（FEA）を使用して、D24システムの金ナノ粒子の配列の周りのEMフィールドを評価しました（方法と追加ファイル4）。珪藻の穴のパターンはフォトニック結晶に似た六方対称（図3a）を示しているため、数値スキームを使用して、Auナノ粒子の均一な分布で装飾された同様の形状がEM信号を局所的に増強するかどうかを評価しました。シミュレートされた細孔のパターンは、実際のSEM画像から再現されました（図3b）。最大125個の粒子が各細孔の周囲と細孔の間に配置されました（図3b）。入射電磁界を中心波長λのTM直線偏光平面波で近似しました。 =633 nm、電力 P _inc =1 W、および関連する電力密度 I =2.5×10 ⁸ W / cm ² 。シミュレーションでは、珪藻殻は屈折率 n の誘電体によって記述されました。 _D24 =1.3および周囲の媒体と細孔は n の空気と見なされました _空気 =1.Au–NPは、Rakicらの定式化を使用してモデル化されました[20]。結果は（図3c）、システムによって増幅された電磁場が対象のボリュームに不均一に分布し、電磁場が優先的に金ナノ粒子の周りに集中し、| E | 〜3×の高強度を達成することを示しています。 10 ⁸ V / m、および関連する強化係数Q〜10 ² 電磁界とQ〜10 ⁸ を考慮すると 表面増強ラマン分光法（SERS）効果を考慮すると。 （この場合、増強は局所電場の振幅の4乗に比例します[21]）。実際のアプリケーションでは、珪藻の表面は外部放射に対してランダムに配向される可能性があるため、| E |の動作を分析することに関心があります。珪藻表面の法線が伝播するTM波で形成する方向θの関数として（図3e）。 θ=0 − 70 ^° で 間隔、| E | 〜1.5×10 ⁸ の間で振動します V / m =| E | _min θ=20 ^° で および〜4×10 ⁸ V / m =| E | _最大 θ=50 ^° で 。したがって、電磁界の強度は、D24システムが連続的な分析と検査のために表面に配置される方法によって大きく影響されます。ただし、最悪の構成でも、| E | _min の計算値に注意してください。 電磁界の伝播に関連する信号の堅牢で高感度な分析を行うのに十分な大きさです。

フォトニック結晶を再現する珪藻表面の細孔の六角形格子のSEM画像（ a ）。実際のプロトタイプの細孔サイズ、形状、トポロジー、および細孔間に分布する金NPのランダムなパターンは、数値有限要素解析（FEA）ツールボックス（ b ）で複製されました。 ）。シミュレーションの出力は、EMフィールドと金ナノ粒子の集合体の周りのEMフィールドの強化であり、最大EMフィールドは約3 10 ⁸ です。 V / m（ c ）。 EM分布は、外部入射放射線（ d ）に対する細孔表面の配向に対する感度を示しています。 ）。外部放射と細孔表面の法線との間の入射角をかなりの間隔で変化させると、最大電磁場強度が約1.5 10 ⁸ の間で振動することがわかります。 および〜4 10 ⁸ V / m（ e ）

図3a–cに示すFEM解析は、単純化された2D平面形状でEMフィールドをシミュレートします。この構成では、EMフィールドは外部珪藻表面のAuナノ粒子の周りで発生します。それにもかかわらず、図3dの3次元スキームおよび追加ファイル4に示されている他の画像では、金ナノ粒子が細孔の内面に沿って分布しています。このスキームは、実際の物理的なプロトタイプにより類似しており、D24デバイスに吸着された分析物が、任意の細孔/分析物の相互局在化のためにEMフィールドと相互作用し、検出される可能性があることを示しています。したがって、SERSが短距離効果であり、EMフィールドが金ナノ粒子から3倍の距離で減衰する場合でも[22]、分析物の収集と分析物/細孔の共局在化により、デバイスの検出機能が保証されます。この目的に加えて、黄緑色の50 nmナノスフェアをロードしたD24システムの追加の高倍率蛍光画像を使用して、細孔内の分析物の局在を示します（追加ファイル3）。蛍光シグナルとD24珪藻デバイスの間の空間的オーバーラップ、および消えるほど小さいバックグラウンドシグナルは、分析物の取り込みが非常に効率的であり、残留物がないか最小限に抑えられていることを示しています。

ソリューション内のBSAのSERS分析

ここでは、生物学的システムで分子収穫剤およびセンシングデバイスとして動作するD24デバイスの能力を評価します。 10 ^-16 のウシ血清アルブミン（BSA）を含む溶液中でD24デバイスをインキュベートしました。 M濃度、1mlの溶液中に1mgのD24デバイスが比較的豊富に含まれています。珪藻に浸透する開口部の複雑なネットワークは、細孔サイズよりも小さい流体力学的直径を持つ分子を吸収できるフィルターを表しています。現在の構成では、平均細孔径がほぼ200 nmであることを考慮すると、特性長サイズが約6 nm [21]のBSAタンパク質は細孔マトリックス内に容易に蓄積します。インキュベーションから10分後、D24システムを分離し、沈降によって最初の溶液から抽出しました。 BSAを含むD24デバイスは、分析のためにレニショーのinViaマイクロラマン顕微鏡のステージに配置されました。

図4aは、D24カプセル（i）、純粋なBSA（ii）、BSA +非官能化珪藻殻（iii）、およびBSA + D24システム（iv）の測定されたラマンスペクトルを示しています。最後の構成では、システムがSERS効果を生成することに注意してください。表1 、 SERS効果があるシステムとないシステム（ii）で測定されたピークの直接比較と暫定的な割り当てを報告します。 BSAは単純な珪藻殻でも検出可能ですが、D24システムのAuナノ粒子は、1392 cm ^-1 にBSAの芳香族成分が存在することを強調しています。 1556〜1576 cm ^-1 バンド。 1670 cm ^-1 のピーク はサンプル中のアミドIの存在を示唆しており、これはβを示唆しています。 -SERSで見えるシートコンフォメーション。単純なマイクロラマンの対応するピークは、1658 cm ^-1 にあります。 、それは別の方法でαを示唆します -らせん構造。同時に、1392 cm ^-1 でのCOO対称ストレッチの関連する強化 珪藻/金の表面との強い静電相互作用を示唆しています[23]。有限領域にわたるサンプルのSERSマトリックススキャンは、中心周波数 f で実行されました。 =1576 cm ^-1 測定の修復可能性、信頼性、および感度を評価します（図4b）。 2つの異なる構成でのSERS信号のラスタープロット（図4c、d）は、存在量が非常に少ない範囲でシェル全体のBSA含有量の空間分布を再構築するシステム機能を示しています。以前に報告された実験[24]で、EM増幅とプラズモニクスによって誘発される局所加熱を調査しました。基板上のナノフォトニクスデバイスに関連するサイト選択的な温度上昇を観察しましたが、温度の絶対値は約400 Kに達しますが、これらの上昇に関連するレーザー出力は10mWの範囲に設定する必要があります。レーザー出力強度より2桁高い P =0.18mWが現在の測定に使用されます。したがって、この場合、人工的な加熱効果とタンパク質のコンフォメーション変化の可能性は無視されます。コンフォメーション変化とβの相対的含有量の変化 -タンパク質のシートは、〜340Kから始まる外部から加えられた温度場によって活性化されます[25]。

純粋なBSA、二酸化ケイ素シェルに吸着されたBSA、およびD24システムに吸着されたBSAのラマンスペクトル。後の2つの実験では、BSAの初期濃度は10 ^-16 でした。 （ a ）。 BSAとのインキュベーション後のD24システムの光学顕微鏡検査（ b ）;個々のD24システムで取得されたBSAのラマンマップ（ c 、 d ）

鉱油のSERS分析

D24デバイスは、ますます低くなる希釈係数の鉱油の分析と検出で実証されました。鉱油は、石油を蒸留してガソリンを製造する際の副産物です。高級アルカンとこの鉱油のパラフィンの混合物が約 C の範囲で含まれています。 ₁₈ C へ ₄₀ ：潤滑油または作動油を製造するための基油の組成にほぼ対応します[26]。最近の解説[26]では、鉱油への暴露を約50 mg / kg未満、つまり50ppmに減らすことが推奨されています。したがって、鉱油（m.o.）および関連製品の分析は、環境汚染および食品安全に関心があります。 m.oは、以前のBSA分析で説明した方法に従ってラマン分光法を使用して調べました。

図5aは、唯一のD24カプセル（i）、唯一のm.oに対して測定されたラマンスペクトルを示しています。 （ii）、およびm.o.および異なる濃度の脱イオン水（iii）。二酸化ケイ素はD24システムの主成分です（i）。考慮される周波数範囲600〜3200 cm ^-1 、950 cm ^-1 のバンドにラマンピークが観測されます 、シリコンの2次散乱に関連し、2130 cm ^-1 の帯域で 、-SiH ₂ に関連付けられています ストレッチ[27]。 m.o 。 スペクトル（ii）は、1450 cm ^-1 のピークによって特徴付けられます。 、CH ₂ を示します はさみの振動、および2850〜2923 cm ^-1 のピーク CH伸縮に起因する領域[28]。 m.o.による吸着後のD24に対するラマンスペクトル0.05から200μl/ mlの範囲の異なる濃度で、m.o。乳剤中は、1450および2850〜2923 cm ^-1 のバンドでエンコードされます。 。 m.o.の含有量が多い乳剤では、これらの周波数範囲でラマンピークが高くなります。驚くべきことに、D24分析はm.oに敏感です。 0.050μl/ml≡50ppm（m。o。：DI水）という低い希釈率。これを超えると、安全性、毒性、または汚染の懸念が高まる可能性のあるしきい値限界値です。 m.o.のラマンマップ10μl/ mlの希釈でD24表面上で測定され、図5bの挿入図に報告されています。マップは中心周波数 f で計算されます =1450 cm ^-1 （図5c）および f =2900 cm ^-1 （図5d）。すべての場合において、ラマン強度はm.oの含有量に比例します。珪藻殻、およびm.o.プロファイルはサブマイクロメートルの解像度で再構築されます。

D24システム、純粋な鉱油、およびD24システムによってますます低濃度で吸着された鉱油のラマンスペクトル（ a ）。鉱油とのインキュベーションおよび沈降後のD24システムの光学画像（ b ）。 f で取得されたD24マイクロデバイスによって吸着された鉱油のラマンマップ =1450 cm ^-1 （ c ）および f =2900 cm ^-1 （ d ）

ディスカッション

説明されているスキームは、分析物の捕捉、局在化、隔離、および検出を可能にします。多孔質のD24珪藻に吸着された分析物は、簡単に収集、操作、分離、およびサンプルに分注することができます。各サンプルは、（i）特定の分析物がロードされた機能化珪藻で構成されています。したがって、サンプルは分析物とそれを検出するために必要なデバイスの組み合わせです。さまざまなアリコートを簡単なラマンセットアップを使用して処理し、将来の分析のために保存し、おそらく冷蔵庫または冷凍庫に長期間保管することができます。したがって、D24システムは、分析したいターゲット分子と共生して動作するハイブリッドデバイスです。従来のSERS基質または金属ナノ粒子はこれまで単独で使用されており、SERS基質と分析物の間の相互作用は断続的なエピソードで発生し、測定時に制限されることがよくありますが、D24システムはセンサーと標的分子を多機能で管理しやすく、ポータブルな個々のデバイス。さらに、従来のSERS基板とは異なり、D24システムはトレーサーとして機能するのに十分小さいです。微小循環回路で放出されたD24システムは、生体組織の動脈、細動脈、微小血管を介して輸送され、血液や細胞の老廃物と相互作用し、分析物、ペプチド、バイオマーカーを内在化し、空間的および時間分解能。生体分子の分析マップは、次に、個々のがんリスク、病理学的リスク、または患者の生理学的状態に関連付けられ、医学的決定をサポートし、介入を計画する場合があります。

センシング用のマイクロカプセルとして珪藻を使用するという考えは完全に新しいものではないことに注意してください。それにもかかわらず、以前に報告された作品は、次のセクションで説明するように、個々の貢献に依存する程度まで私たちの分析から逸脱しています。

参考文献[29]で、Renらはシミュレーションを使用して、珪藻骨格殻の表面にコーティングされたプラズモンナノ粒子によって生成される電界増強を調査しました。次に、珪藻表面に銀ナノ粒子を組み立ててSERS基板を作成しました。同様のデバイスは優れた感知増強係数を達成しますが、珪藻は基質に固定化されており、生物学的または技術的な目的で、生体液または溶液、生物学的区画、水道、水路、海水、海流および海流内の微小循環に自由に投与できない場合がありますアプリケーション。

参考文献[30]で、Chenらは、Auナノ粒子でコーティングされた珪藻土を硬いボタンのようなミリメートルの錠剤に押し込みました。次に、これらのSERSタブレットデバイスを使用して、潜在指紋のエクリン汗の化学組成を分析しました。これは、医療におけるデバイスの見事で非常に実用的なアプリケーションです。それでも、それは具体的であり、分析は依然としてマクロスケールレベルで実行されます。

参考文献[31]で、Luca De Stefanoが率いるグループは、無電解堆積を使用して、Auナノ粒子で珪藻フラスチュールを機能化しました。次に、p-メルカプトアニリン（pMA）を使用してデバイスをテストしました。 pMAは金属表面に自己組織化単分子膜を形成できるため、SERSの表面プローブ分子として使用されます。無電解堆積は、自己触媒表面上で金ナノ粒子を合成するための評価された技術であり、粒子のサイズと密度を高度に制御することができます[18、19、32]。このアプローチとは異なり、ここでは、無電解蒸着と比較して、より直接的で高速で、サンプル処理が不要または最小限の光蒸着プロセスを使用しました。それにもかかわらず、De Stefanoによって提案されたアプローチは有望であり、生物学的または環境的アプリケーションでさらに検証する価値があります。

結論

経済的で、簡単にアクセスでき、豊富な珪藻土を改変して、珪藻殻の細孔が溶液中の分子を捕捉する能力を持ち、金ナノ粒子が数桁の分光信号を増幅して明らかにするミニチュアセンサーデバイスを取得する方法を開発しました他の方法では達成できない低存在量範囲の分子。溶液中の生物学的BSAタンパク質の分析、および水との二成分エマルジョン中の微量の鉱油の検出において、同様のD24デバイスを実証しました。どちらの場合も、10 ^-16 までの低希釈のターゲット分子を明らかにしました。 BSAの場合はM、鉱油の場合は50ppm。これらのデバイスは、分析化学、生物学的リスクの監視と評価、食品の安全性、汚染物質の監視、および海水、水道、飲料水中の監視に応用できる可能性があります。

メソッド

サンプルの走査型電子顕微鏡

Auナノ粒子（D24システム）で機能化されたシリカシェルは、走査型電子顕微鏡（SEM）イメージング用のカーボン粘着テープに直接分散されました。サンプルは、形態学的イメージング用のInLens二次電子検出器とZコントラストイメージング用の環状後方散乱検出器（Auの存在を強調するため）を備えたZeiss Auriga CompactFE-SEMを使用してイメージングされました。

この調査で使用した珪藻土の特性

この研究で使用した珪藻土は、Perma-Guard（Perma-Guard Europe SollarisSp。zo.o.、Otwock、Poland）から1kgのFossilShellFlour®の無料サンプルとして提供された食品グレードの高品質珪藻土でした。現在の市場価格は1kgあたり約16ユーロです。それは、絶滅した淡水珪藻Melosirapreicelanicaの円筒形の殻で構成されています。その主な部分はアモルファスシリカ（最大94％）で構成され、次にスメクタイト（〜3％）、カオリナイト（〜2％）、長石（〜1％）、方解石（> 1％）、石英（> 1％）が続きます。 。低速ハンマーミルでの粉砕を行い、粒子サイズを均一化した。 FossilShellFlour®の主な特性（物理的および光学的特性を含む）は、粒子サイズの中央値：10μm、メッシュスクリーンの残留物：2％です。屈折率：1.43;吸油量：120％;明るさ（緑のフィルター）：85;比重：2.2;表面積：44.2 m ² / g; pH：8.0;毛穴の総量：0.132 cm ³ / g;ミクロポア（<20Å）：14％;メソポア（20〜500Å）：65％。

D24システムの蛍光分析

D24システムは、直径50 nmのFluoresbrite®イエローグリーンミクロスフェアと10分間、D24：蛍光粒子=1：10の比率でインキュベートされました。次に、溶液からD24システムを収集し、光学ステージに配置しました。倒立ライカTCS-SP2®レーザー走査型共焦点顕微鏡システム。すべての測定は、ArUvレーザーを使用して実行されました。ピンホール（80μm）とレーザー出力（80％出力）は、各実験を通じて維持されました。 λを使用して黄色の蛍光（FITCと同様）を励起しました ₁ =441nmの励起線と共焦点画像は、最大発光で収集されましたλ ₂ =×10/20の対物レンズを使用して485nm。画像は、975×750μm ² の関心領域で取得されました。 品質を向上させ、ノイズを低減するために、4行と10フレームで平均化されました。画像は1280×960ピクセルにデジタル化されました。

サンプルのX線光電子分光分析

X線光電子スペクトルは、X線光電子分光法（XPS）Versa Probe II（PHI、Chanassen US）で、100μm、100 Wの電力、表面は、1400×300μm ² の領域にラスターされます サンプル表面に対して45°のアナライザーで。調査スペクトルは、ハイパスエネルギー（187 keV）で少なくとも20分の蓄積時間で取得されましたが、対象の要素の高分解能スペクトルは、同じ電力と0.1eVの分解能で11.7keVで取得されました。スペクトルはMultipack（PHI、Chanassen USA）ソフトウェアによって分析され、すべてのピークは284.8eVの結合エネルギーでの偶発的な炭素ピークC1を参照していました。

D24システム内の電磁界のシミュレーション

装飾された構造全体の電界プロファイルを数値的に計算するために、商用ソフトウェアCOMSOL Multiphysics 5.3を使用して有限要素法（FEM）3Dモデルが開発されました。シミュレーションは、125個の粒子がパターン化された誘電体表面の表面に配置された単一の立方単位セルで実行されました。全体的な光学応答は、TM直線偏光平面波として近似された電磁界の入射角の関数として調査されました（追加ファイル4）。システムの周期性は、入射面に垂直なユニットセルの側面にフロケ境界条件を適用することによって考慮されました。その後、結果は珪藻配列を視覚化するために定期的に拡張されました（追加ファイル4）。 λの波長 =633.0nmが設定されました。入射放射線のパワーは P として任意に選択されました _inc =1 W、ユニットセルの面積は3.9×10 ⁻¹³ になります m ² 結果として得られる強度は I =2.5×10 ⁻⁸ W / cm ² （強度に依存する非線形性はここでは無視されていることに注意してください）。材料に関しては、珪藻は屈折率 n の誘電体として光学的に記述されました。 _珪藻 =1.3、周囲の環境は n の空気です _空気 =1。直径 d の完全な球としてモデル化された金ナノ粒子 =20 nm、[20]で報告されている誘電体の定式化に従ってモデル化されました。幾何学的領域は、四面体要素を使用して離散化されています。メッシュ要素の最大サイズは、屈折率に応じて、各ドメインで分解する必要のある有効波長値の1/5として選択されています。最小メッシュ要素が r に設定されました /1.5、 r =10nmは各ナノ球の半径です。マクスウェル方程式は、ドメインの境界での非物理的な反射を回避するために、構造の上部と下部に完全に一致する層を配置することにより、ユニットセル内で数値的に解かれています。さらに、電磁界の対称性を利用して、シミュレーションの計算量を削減しました。その結果、方程式は珪藻の半分についてのみ解かれ、完全な磁気導体境界条件が、入射面に平行に、入射場の分極とコヒーレントに、ユニットセルの側面に課されました。

サンプルのラマン分析

BSAを含むD24デバイスは、分析のためにレニショーのinViaマイクロラマン顕微鏡のステージに配置されました。ライカ顕微鏡の×20/50対物レンズを使用してサンプルを分析しました。ラマンスペクトルは、後方散乱ジオメトリのHeNeレーザーの633.0 nmラインによって励起され、1024×1024ピクセルのCCDで取得されました。レーザー出力は0.18mWに調整され、測定全体を通して一定に保たれました。インターフェログラムは、20秒の積分時間で記録されました。各スペクトルは、2次多項式関数でベースライン補正されました。ラマンマップは、 x で400および600nmのステップサイズで実行されました。 および y 軸方向。

略語

BSA：

ウシ血清アルブミン

D24システム：

金ナノ粒子で機能化された二酸化ケイ素珪藻殻

DE：

珪藻土

MO：

鉱油

SERS：

表面増強ラマン分光法