Um novo sensor de espalhamento Raman otimizado para superfície inteligente baseado em nanopartículas de ag capadas com poliacriloil hidrazina responsivas ao pH

Resumo

Uma nova nanopartícula de Ag @ poliacriloil hidrazida (Ag @ PAH) responsiva ao pH pela primeira vez como substrato de dispersão Raman intensificada por superfície (SERS) foi preparada sem agente redutor e reagente de terminação. As nanopartículas de Ag @ PAH exibiram um excelente desempenho de detecção ajustável na faixa de pH =4 a pH =9. Isso é explicado que o comportamento de dilatação-encolhimento do PAH responsivo pode controlar a distância entre Ag NPs e as moléculas alvo sob estímulos externos de pH, resultando no LSPR sintonizável e SERS controlado posteriormente. Além disso, as nanopartículas de Ag @ PAH possuíam uma capacidade de detecção ultrassensível e o limite de detecção de Rodamina 6G reduzido para 10 ⁻¹² M. Essas vantagens qualificaram o Ag @ PAH NP como um substrato SERS inteligente promissor no campo de análise de traços e sensores.

Histórico

O espalhamento Raman intensificado por superfície (SERS) é uma ferramenta espectroscópica poderosa para identificar a estrutura da molécula por informações vibracionais das moléculas alvo [1]. Devido à sua conveniência e análise ultra-sensível, o SERS foi reconhecido como uma abordagem ideal para detectar moléculas biológicas, incluindo DNA, RNA e células cancerosas [2]. É geralmente aceito que a técnica SERS pode ser ilustrada com o eletromagnético aprimorado (EM) [3]. Dentre as influências do EM, a ressonância de plasmon de superfície localizada (LSPR) desempenha um papel fundamental e dominante [4]. Quando as moléculas alvo residem nas lacunas entre as nanopartículas de metal vizinhas (chamados de "pontos quentes"), sob a irradiação da luz incidente, a nanopartícula de metal gera LSPR e seu campo eletromagnético de superfície é aumentado, resultando no sinal intensificado de SERS [5 , 6,7]. O enorme aprimoramento garante a alta sensibilidade do SERS, o que significa que a impressão digital característica das moléculas alvo pode ser adquirida mesmo em baixas concentrações [8,9,10].

Até o momento, esforços consideráveis têm sido devotados para melhorar a sensibilidade do SERS para desenvolver a técnica de análise SERS. As estratégias de sucesso para SERS ultrassensível foram realizadas por substratos de nanopartículas de metal com diferentes formas e dimensões [11]. No entanto, até onde sabemos, não há relatos correspondentes sobre a detecção controlável de SERS [12,13,14,15]. Portanto, desenvolver SERS sintonizável se tornará um dos maiores desafios associados a SERS e biossensores de alta sensibilidade. A poliacriloil hidrazida (PAH) é um polímero responsivo ao pH, que tem sido aplicado em vários campos biomédicos [16]. Devido à abundância de grupos funcionais de hidrazida no PAH, o PAH pode servir não apenas como o reagente de terminação, mas também como o agente redutor dos precursores de íons metálicos para preparar facilmente nanopartículas de Ag (NPs) [17]. O comportamento de dilatação-encolhimento do PAH responsivo pode controlar a distância entre Ag NPs e as moléculas alvo sob estímulos externos de pH, resultando no LSPR sintonizável e SERS ainda mais controlado.

Neste trabalho, combinando o polímero PAH responsivo ao pH e Ag NPs, preparamos com sucesso Ag @ PAH NPs sem outros reagentes. Rodamina 6G (R6G) como molécula alvo, Ag @ PAH NPs foram usados para detecção SERS pela primeira vez. Devido à resposta do polímero PAH na superfície dos Ag NPs, um efeito SERS controlável dos R6G / Ag @ PAH NPs pode ser realizado ajustando o valor do pH. Além disso, os NPs de Ag @ PAH exibem alta sensibilidade e reprodutibilidade, o que permite que sejam explorados para riscos biológicos ou análises de reagentes químicos em aplicações de campo.

Métodos

A ilustração do processo preparado de NPs de Ag @ PAH foi mostrada na Fig. 1. Resumidamente, 250 μL de AgNO ₃ solução aquosa (0,2 mol / L) foi adicionada a 25 mL de PAH (ESI † para detalhes) solução aquosa (2% w / v ) A mistura foi agitada sob uma condição moderada durante 30 min a 30 ° C. A solução marrom avermelhada resultante foi purificada por diálise contra água desionizada por 24 h e coletada por centrifugação e dispersa em água desionizada. Em seguida, os diferentes valores de pH das soluções de Ag @ PAH NP foram ajustados por solução de HCl 0,1 mol / L ou solução de NaOH 0,1 mol / L.

Ilustração esquemática do processo preparado de NPs Ag @ PAH

Resultados e discussão

O polímero PAH possuía grupos hidrazida em cada unidade de repetição, que servia como um agente redutor eficaz para a preparação de NPs metálicos [18]. Ag ⁺ substituição eletrofílica, o nitrogênio no final dos grupos hidrazida, formado -CO-NH-NH- e Ag NPs, no processo de preparação de Ag @ PAH NPs. Por microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução, descobrimos que os Ag NPs foram totalmente encapsulados pelo polímero PAH com a estrutura núcleo-casca completa. Estimamos ainda que o tamanho médio de Ag NPs era de cerca de 90 nm na Fig. 2a. O diâmetro hidrodinâmico dos NPs Ag @ PAH foi de 192,6 nm a pH =9 e diminuiu para 103,3 nm quando o valor de pH era 4 na Fig. 2b. Além disso, calculamos ainda a espessura da camada de PAH por subtração do diâmetro Ag NP do total de Ag @ PAH NPs que foi 102,6 nm em pH =9 e 13,3 nm em pH =4. A razão deve ser atribuída à dilatação e encolher do PAH. O aumento e a contração do PAH são atribuídos a um efeito sinérgico dos seguintes fatores, mudança de protonação-desprotonação, repulsão de carga e capacidade de formação de ligações de hidrogênio do polímero de PAH. Além disso, os NPs de Ag @ PAH mostraram pico de absorção semelhante (em cerca de 423 nm) em espectros de UV-vis e apenas a intensidade de absorção diminuiu na faixa de pH de 4 a 9 na Fig. 2c. Isso indicou que o aumento da espessura da camada de revestimento de polímero impediria a propagação da ressonância de plasmon de superfície localizada sem alterar a propriedade óptica de Ag NPs.

a Imagens HRTEM e distribuição de tamanho de partícula de NPs Ag @ PAH. b Dependência do pH do diâmetro hidrodinâmico dos NPs de Ag @ PAH. c Dependência do pH dos espectros de absorção de UV-vis de NPs Ag @ PAH

O desempenho SERS dos NPs Ag @ PAH foi avaliado com R6G como o analito alvo do modelo. A fim de compreender a origem dos sinais R6G Raman de aumento de NPs de Ag @ PAH, foram realizados experimentos comparados para distinguir a influência da camada de polímero de PAH. Comparamos os sinais Raman da solução R6G pura, solução PAH pura, NPs Ag e NPs Ag @ PAH individuais, todos com a mesma concentração na Fig. 3a. É bem conhecido que o sinal da solução R6G pura (10 ⁻⁶ M) é bastante fraco. Depois de adicionar Ag NPs ou Ag @ PAH NPs como substratos, a característica principal atinge o pico em 1311, 1363, 1509 e 1651 cm ⁻¹ , que combinou perfeitamente com os espectros Ramam de R6G foram obviamente aumentados. Isso demonstra que um notável sinal SERS de moléculas R6G presentes na superfície de Ag NPs e Ag @ PAH NPs. Em contraste, na ausência de Ag NPs, sinais SERS desprezíveis foram observados de polímero PAH individual, sugerindo que a presença do polímero PAH não teve efeito sobre o efeito SERS para moléculas R6G.

a Ilustração esquemática do processo de fabricação SERS de R6G em substratos Ag @ PAH NPs. b Ilustração esquemática para o mecanismo SERS ajustável de R6G com NPs Ag @ PAH em diferentes valores de pH

O aprimoramento SERS da célula de metal / casca de polímero foi muito sensível à espessura da casca do polímero, o que foi comprovado por estudos teóricos e experimentais. Investigamos o efeito entre os diferentes valores de pH e os sinais intensificados pelo SERS, conforme expresso na Fig. 4a. Comparado com o sinal original de R6G, os sinais SERS foram amplificados na presença de Ag @ PAH NPs em diferentes condições de pH. Além disso, a intensidade SERS relativa do espectro caiu conforme o valor do pH aumenta. Isso é explicado que o efeito SERS dos NPs de Ag @ PAH foi sensível à espessura da casca do PAH. A camada de revestimento de PAH encolheu em baixo valor de pH, resultando em mais intensidade de campo eletromagnético do que em alto valor de pH na mesma concentração de Ag @ PAH NPs, como mostrado na Fig. 3b. Portanto, os NPs de Ag @ PAH em pH baixo induziram sinais Raman extremamente intensificados, o que garantiu a sintonia dos NPs de Ag @ PAH como substratos SERS. Este fenômeno foi quantificado pelo cálculo dos fatores de realce Raman (EFs) de 1509 cm ⁻¹ pico para NPs de Ag @ PAH (Eq. S1, ESI †). Os EFs de NPs de Ag @ PAH em diferentes valores de pH foram estimados em 0,8 × 10 ⁶ , 1,1 × 10 ⁶ , 1,5 × 10 ⁶ , 2,2 × 10 ⁶ , 3,3 × 10 ⁶ e 4,3 × 10 ⁶ , respectivamente, na Fig. 4b (ESI † para detalhes). Os EFs de NPs de Ag @ PAH em diferentes valores de pH foram todos altos, até 10 ⁶ que revelou que o Ag @ PAH NP pode ser usado como um substrato SERS eficaz e inteligente na detecção de traços.

a Espectros SERS de R6G adsorvido com diferentes valores de pH. b EFs de R6G em NPs de Ag @ PAH em função dos valores de pH a 1509 cm ⁻¹ . c Espectros SERS de R6G com diferentes concentrações adsorvidas em Ag @ PAH NPs. d Relação de intensidades de pico em 1509 cm ⁻¹ e concentrações de R6G (a inserção é a relação linear entre as intensidades logarítmicas e as concentrações de R6G.)

Além disso, Ag @ PAH NPs em baixo valor de pH induziram sinais Raman extremamente aumentados, o que garantiu a ultra-sensibilidade dos Ag @ PAH NPs como substratos SERS. Portanto, uma série de espectros SERS de R6G em diferentes concentrações (10 ⁻⁷ –10 ⁻¹² M) foram medidos posteriormente a pH =4 com adição de NPs Ag @ PAH na mesma concentração. Comparando os sinais dessas curvas, as intensidades SERS foram diminuídas diluindo as concentrações da molécula alvo na Fig. 4c. As bandas características de R6G são identificadas claramente, mesmo em uma concentração tão baixa quanto 10 ⁻¹² M, demonstrando que NPs Ag @ PAH possuem uma alta sensibilidade detectada para R6G. Além disso, uma dependência linear é encontrada entre as concentrações logarítmicas de R6G e as intensidades do pico da impressão digital (1509 cm ⁻¹ ) na Fig. 4d. Quando na faixa de concentração de R6G variou de 10 ⁻⁷ a 10 ⁻¹² M, a equação de regressão linear era y =5,9838 + 0,3228 log (x), e o coeficiente de correlação foi 0,9971 ( n =6). Obviamente, na região de baixa concentração, a intensidade do SERS diminuiu com a diminuição da concentração de teste. Esses resultados confirmaram que os NPs do Ag @ PAH se tornarão um candidato promissor em uma detecção ultra-traço inteligente de riscos biológicos ou reagentes químicos.

Conclusões

Em resumo, utilizamos NPs Ag @ PAH responsivos ao pH como substratos desejados para aplicações de SERS pela primeira vez. A introdução do polímero de PAH responsivo ao pH como uma camada de invólucro pode dotar os Ag NPs de uma ressonância de plasmon de superfície localizada e controlável, ajustando a espessura do invólucro sob estímulos de pH, resultando em efeitos SERS ajustáveis. Os resultados demonstraram que os NPs Ag @ PAH possuíam excelente desempenho SERS responsivo ao pH e ultrassensível controlável, cujo limite de detecção de R6G reduziu para 10 ⁻¹² Os NPs da M. Ag @ PAH são promissores para a aplicação inteligente do SERS na detecção ultra-traço de perigos biológicos ou reagentes químicos.

Conteúdo Associado

Informações de Apoio. Materiais, instrumentação, preparação do método de cálculo de PAH e EF. Figura S1. ¹ Espectro de H NMR de PMA em CDCl ₃ e PAH em D ₂ O (arquivo adicional 1).

Abreviações

EFs:: Fatores de melhoria
EM:: Eletromagnético aprimorado
LSPR:: Ressonância de plasmon de superfície localizada
NPs:: Nanopartículas
PAH:: Poliacriloil hidrazida
SERS:: Espalhamento Raman aprimorado pela superfície

Fabricação de nanopadrão ordenado usando copolímero tribloco ABC com sal em tolueno Efeitos de interação na montagem de nanopartículas magnéticas

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias