Arranjos de Nano-Pontos Escaláveis e Padronizáveis em ITO via Eletrólise para SERS de Alto Desempenho

Resumo

A fabricação de dispositivos de grande área com nanoestruturas padronizáveis é fundamental para aplicações práticas em dispositivos ópticos ou elétricos. Neste trabalho, descrevemos um método fácil e ambientalmente amigável para preparar arranjos de nano-pontos (NPs) em grande área através da reação eletrolítica de um filme de óxido metálico. NPs com diversos tamanhos e morfologias podem ser obtidos ajustando a tensão aplicada, o tempo de eletrólise e a espessura do filme de óxido de índio e estanho (ITO). NPs de alta densidade com tamanho de 50–60 nm são obtidos pela eletrólise de um filme de ITO de 25 nm a 150 V por 1,5 min sob meio de gota d'água, os quais são aplicados para espectroscopia Raman de superfície (SERS) após deposição de uma fina camada de prata. O substrato SERS com estrutura de NP otimizada exibe detecção sensível de Rodamina 6G (R6G) com limite de detecção de 5 × 10^-12 M. Fatores de realce (EFs) de 1,12 × 10⁶ e 6,79 × 10⁵ foram alcançados para caracterização de 4-metilbenzenotiol (4-MBT) e R6G, respectivamente. Com uma etapa adicional de fotolitografia, múltiplas áreas de arranjos de NPs podem ser criadas em um único substrato, permitindo detecção simultânea de várias amostras contendo diferentes moléculas em um único experimento. Tal método é rápido, fácil, padronizável e ambientalmente amigável, sendo adequado para determinação rápida e síncrona de várias moléculas no local para aplicações em point-of-care, monitoramento ambiental e segurança aeroportuária.

Introdução

A dispersão Raman de superfície (SERS) foi observada há algumas décadas a partir da superfície rugosa de eletrodo de prata. Tem sido amplamente investigada não apenas para entender o mecanismo da SERS, mas também para alcançar aplicações práticas. Duas séries clássicas de substratos SERS foram desenvolvidas: materiais coloidais auto-organizados e nanoestruturas fabricadas. Nanopartículas de metais nobres como Ag, Au e Cu foram sintetizadas para estudos de SERS. Os sistemas de nanopartículas são fáceis de usar, porém carecem de repetibilidade e reprodutibilidade com sensibilidade relativamente baixa. Nanoestruturas fabricadas por litografia de feixe de elétrons, litografia de interferência a laser, litografia de feixe de íons focalizado, litografia de nanoesferas e nanoimpressão litográfica mostraram alto realce de sinal com excelente repetibilidade. No entanto, essas tecnologias de nanofabricação requerem equipamentos caros e ambientes restritos como salas limpas; e o processo de fabricação é lento.

Como a SERS pode ser usada diretamente para detecção e identificação molecular em meio aquoso sem interferência da água, tem sido amplamente aplicada para detecção de pequenas moléculas e biomoléculas. Para aplicações melhores e mais amplas, a fabricação fácil e rápida de substratos SERS de microarray ainda é altamente necessária para detecção simultânea de várias moléculas, especialmente para aplicações em tecnologia point-of-care (POCT) e monitoramento de segurança. Tanto a montagem de partículas coloidais quanto as tecnologias de nanofabricação envolvem vários tipos de produtos químicos ou alto consumo de energia, por exemplo, produtos químicos ou gases especiais para síntese de partículas e processos de gravação a seco, respectivamente, e alto consumo de energia para projeto e deposição sofisticados camada por camada. Vários tipos de poluição ambientalmente prejudiciais são produzidos durante os processos, como orgânicos, ácidos, bases, íons de metais pesados e gases de gravação tóxicos.

Filmes de ITO podem ser preparados via tecnologia padrão de deposição de metal e amplamente utilizados em laboratório e indústria como substratos condutores devido à sua transparência e baixo custo. Gao et al. relataram que o filme de ITO pode ser transformado em pontos de índio (In) sob polarização catódica em solução de NaOH.

Neste trabalho, propomos e verificamos uma tecnologia mais simples, rápida e verde criando NPs na superfície do vidro via eletrólise direta do filme de ITO em água em uma única etapa. Com um processo fotolitográfico adicional, arranjos de NPs podem ser criados com múltiplas áreas separadas padronizadas, possibilitando determinação simultânea de múltiplas amostras contendo vários tipos de moléculas em um único substrato. A eletrólise ocorre sob condições brandas em baixa tensão em ambiente/meio aquoso.

Materiais e Métodos

Materiais e Reagentes

Vidro ITO (1,1 mm de espessura) foi adquirido da Luoyang Longqian Glass Co., Ltd. (Henan, China), com espessura de ITO de 25, 50, 100 e 200 nm correspondendo à resistência quadrada de 93,52, 31,05, 15,86 e 6,97 Ω/sq, respectivamente. Vidro de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) (2,2 mm de espessura) foi adquirido da Yaoke Photoelectric Co., Ltd. (Jiangsu, China), com espessura de FTO de 400 nm e resistência quadrada de 10,85 Ω/sq. Água deionizada (DI) (18,25 MΩ cm a 25 °C) foi preparada usando um sistema de purificação de água Milli-Q Plus (Sichuan Wortel Water Treatment Equipment Co., Ltd., Sichuan, China). Etanol (Fábrica de Reagentes Químicos Damao, Tianjin, China) e acetona (Zhiyuan Chemical Reagent Co., Ltd., Tianjin, China) foram usados para limpar o vidro ITO. Fotoresist SUN-120P foi adquirido da Suntific Microelectronic Materials Co., Ltd. (Shandong, China) para padronização do ITO. 4-Metilbenzenotiol (4-MBT, 98%), sulfonato de sódio 2-mercaptoetano (MESNa, ≥ 98,0%) e cloridrato de dopamina foram adquiridos da Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA). Rodamina 6G (R6G, 98,5%) foi adquirida da J&K Scientific (Pequim, China). Hidróxido de potássio (KOH, GR 95%) e melamina (99%) foram adquiridos da Aladdin (Xangai, China). D-(+)-Glicose (99%) foi adquirida da Alfa Aesar (Xangai, China). Azul de metileno (AR), ureia (AR, ≥ 99,0%) e ácido fosfórico (AR, 85%) foram adquiridos da Fábrica de Reagentes Químicos Damao (Tianjin, China). Solução de formaldeído (AR, 37–40%), fosfato monossódico diidratado (AR, ≥ 99,0%) e fosfato dissódico dodecaidratado (AR, ≥ 99,0%) foram adquiridos da Fábrica de Reagentes Químicos de Guangzhou (Guangzhou, China). Todos os produtos químicos foram usados conforme recebidos.

Eletrólise do Filme de ITO em Água

Um substrato de vidro ITO foi primeiro cortado e limpo sequencialmente em acetona, etanol e água DI, com cada processo durando 15 min, e então completamente enxaguado com água DI e seco com sopro de nitrogênio. A Figura 1 mostra o esquema do processo de fabricação. Uma gota de água DI foi depositada na superfície do ITO como meio de eletrólise. Um fio de tungstênio (W) foi inserido na gota e conectado ao eletrodo positivo, e o filme de ITO foi conectado ao eletrodo negativo de uma fonte de alimentação (PSW800-1.44, GWINSTEK, Taiwan, China), conforme desenhado na Fig. 1a. Quando uma tensão foi aplicada através da água, o ITO foi eletrólise para formar NPs de In na área do meio aquoso (Fig. 1b).

Além disso, um filme de ITO pode ser facilmente padronizado em várias áreas na faixa de micrômetro a centímetro. Um filme de ITO também pode ser padronizado em um arranjo com várias áreas isoladas consistindo de NPs para alcançar múltiplas áreas funcionais em um substrato. Isso é muito importante para dispositivos de detecção de alta vazão/múltipla. Para formar arranjos de NPs padronizados, a superfície de vidro ITO de 3,5 × 3,5 cm² foi padronizada em áreas quadradas separadas via processo de fotolitografia. Posteriormente, um substrato ITO padronizado em grade e um substrato ITO plano foram unidos face a face para formar um dispositivo em paralelo selado com moldura adesiva de 200 μm de espessura e preenchido com água DI. Os ITOs plano e padronizado foram conectados aos eletrodos positivo e negativo de uma fonte de alimentação, respectivamente. Este método é altamente adequado para preparação de arranjos de NPs padronizados e de grande área.

Medidas SERS

Ajustando a tensão aplicada, o tempo de eletrólise e a espessura do filme de ITO, o tamanho e a densidade dos NPs puderam ser variados. NPs formados eram tipicamente de dezenas a centenas de nanômetros dispostos próximos, formando nanogaps. Um substrato SERS foi então obtido depositando uma fina camada de Ag (PD400, Wuhan PDVACUUM Technologies Co., Ltd., Wuhan, China).

Para caracterizar a sensibilidade de tal substrato SERS, espectros Raman foram medidos usando um Microscópio Raman Renishaw inVia (Renishaw 42 K846, Renishaw Co., Ltd., Reino Unido). Um substrato SERS foi imerso na solução do analito por 1 h e então completamente enxaguado por 1 min usando o solvente correspondente e seco com sopro de nitrogênio puro. O substrato SERS seco foi então colocado no palco do microscópio Raman para medidas. Um laser de 532 nm com potência de ~ 0,14 mW foi focalizado na amostra através de uma lente objetiva × 50 (abertura numérica, NA = 0,5, Leica). O diâmetro do ponto do laser no substrato foi 1,30 μm. O laser de excitação espalhado elasticamente foi removido com um filtro de borda. Cada espectro Raman foi coletado com tempo de acumulação de 10 s.

Além disso, para avaliar a versatilidade e detecção rápida, nove moléculas sonda de 4-MBT, R6G, cloridrato de dopamina, ureia, formaldeído, azul de metileno, MESNa, d-(+)-Glicose, melamina foram escolhidas para caracterizar o substrato SERS preparado para determinação simultânea de múltiplas moléculas. 4-MBT e azul de metileno foram dissolvidos em etanol. MESNa foi dissolvido em água DI com pH 2,7 ajustado por solução tampão fosfato. Solução de d-(+)-Glicose foi preparada usando solução tampão fosfato com pH 7,5. Todas as demais soluções de amostra foram preparadas dissolvendo em água DI. Para cada medida, uma gota de 3,0 μL de solução preparada foi rapidamente depositada no substrato, e o espectro Raman foi registrado imediatamente. As concentrações dos analitos foram 10^-4, 5 × 10^-11, 10^-3, 0,5, 10^-3, 10^-5, 10^-2, 1 e 10^-2 M para solução de 4-MBT em etanol, solução aquosa de R6G, solução de cloridrato de dopamina, solução aquosa de ureia, solução de formaldeído, solução de azul de metileno em etanol, solução de MESNa, solução de d-(+)-glicose e solução aquosa de melamina, respectivamente. Todas as medidas foram realizadas imediatamente usando o instrumento Raman (Finder Insight, Zolix Instruments Co., Ltd., Pequim, China) com laser de excitação de 532 nm e potência de 2,5 mW. O feixe de laser de 10 μm de diâmetro foi focalizado na amostra através de uma objetiva × 50 (NA = 0,55). Cada espectro Raman foi coletado por 0,3 s/vez, com acumulação de 10 vezes.

Outras Caracterizações

As morfologias do substrato fabricado foram caracterizadas usando microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FE-SEM) (ZEISS-Ultra 55, Carl Zeiss AG, Alemanha) a uma tensão de aceleração de 5 kV. Medidas de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram realizadas usando microscopia JEM-2100 (JEM-2100HR, JEOL, Japão). Os nanopontos (nanopartículas) foram raspados e dispersos em água DI. A composição química foi analisada usando um espectroscópio de energia dispersiva (EDS) equipado no FE-SEM e difração de raios X (XRD) (X'Pert PRO, PANalytical, Holanda) equipado com fonte de radiação Cu Kα, a uma taxa de varredura de 0,04°/s, e ângulo de difração (2θ) de 20 a 65°. O espectro de absorção foi registrado na faixa de comprimento de onda de 440–650 nm usando um espectrômetro (USB 2000+, Ocean Optics, EUA).

Resultados e Discussão

Formação de Nanopontos por Eletrólise do Filme de ITO em Meio Aquoso

Filmes de ITO como substratos condutores transparentes têm sido amplamente aplicados em dispositivos optoeletrônicos como dispositivos de emissão de luz (LED), displays e células solares. Em geral, a corrosão do ITO é prejudicial para aplicações em dispositivos eletrônicos. Aqui, por outro lado, fazemos uso da corrosão do ITO induzida pela reação de eletrólise para formar NPs compactamente empacotados e usá-los para aplicação SERS. O esquema da formação de NPs induzida por eletrólise é mostrado na Fig. 1a, b. A superfície do filme de ITO era plana e transparente antes da eletrólise (Fig. 1c). Em geral, o ITO é composto de In₂O₃ e SnO₂ em várias proporções. EDS foi realizado para caracterizar a composição do ITO, como mostrado no Arquivo Adicional 1: Figura S1. Após um período de reação de eletrólise, a superfície do ITO tornou-se translúcida e amarela após secagem. Caracterizada por MEV, descobrimos que NPs compactamente empacotados na superfície do vidro foram formados na superfície do vidro (Fig. 1d). A medida de XRD na Fig. 1e mostra que três novos picos apareceram após a eletrólise, que correspondem aos planos cristalinos (101), (002) e (110) do elemento In. No entanto, os picos do ITO tornaram-se menores. A imagem de TEM na Fig. 1f confirma que os NPs formados são de material In.

O filme de ITO é um material de óxido metálico com morfologias tanto cristalinas quanto amorfas, com rugosidade superficial tipicamente na nanoescala. Foi relatado que o ITO pode ser corroído por NaOH para formar nanopartículas de In. Quando uma tensão é aplicada através do filme de ITO, elétrons são transferidos entre cátodo e ânodo. Portanto, as reações eletroquímicas no cátodo e ânodo podem ser descritas pelas Eqs. (1) e (2):

Cátodo: In₂O₃ + 3H₂O + 6e^- → 2In + 6OH^- (1)

Ânodo: 4OH^- → O₂ + 2H₂O + 4e^- (2)

Portanto, o processo de formação de NPs pode ser ilustrado na Fig. 2. No início, a reação de eletrólise é homogênea sobre a superfície do ITO. No entanto, o filme de ITO não é perfeitamente homogêneo com variação de espessura do filme existente de acordo com o processo normal de fabricação de ITO, especialmente para filmes de ITO amorfos. Portanto, com a evolução do tempo, a área mais fina será consumida mais rapidamente para formar defeitos de acordo com a maior intensidade de campo elétrico e menor espessura. Após atingir a concentração de saturação na água, átomos de In reduzidos começam a se acumular para formar NPs na superfície. Durante a eletrólise, mudança óbvia de transparência e cor pode ser observada após um período de tempo. De acordo com o efeito de tensão interfacial durante um processo de desumidificação, uma grande quantidade de NPs foi formada na superfície. Tal método, sem quaisquer requisitos para tratamentos e produtos químicos específicos, é realizado em meio aquoso com uma tensão aplicada e assim pode ser considerado como uma tecnologia ambientalmente amigável.

Parâmetros de Eletrólise: Tempo de Reação, Tensão Aplicada e Espessura do Filme de ITO

O tamanho e a densidade dos NPs estão relacionados à espessura do filme de ITO e à cinética de reação. Neste trabalho, os fatores efetivos de tempo de reação, tensão aplicada e espessura do filme de ITO foram todos investigados para descobrir o processo de formação de NPs. Dessa forma, parâmetros experimentais poderiam ser otimizados para preparar substrato SERS com alta sensibilidade. A Figura 3a mostra as imagens de MEV dos NPs obtidos no vidro (ITO de 25 nm de espessura) a uma tensão aplicada de 150 V em diferentes tempos de reação. Mostra obviamente o processo de formação sequencial de um filme de ITO contínuo (Fig. 1c) para pequenos NPs incorporados no filme, NPs rugosos, NPs lisos, e NPs em pé e separados, como demonstrado nas imagens na Fig. 3a da esquerda para a direita, respectivamente. Essa mudança gradual na morfologia e tamanho pode ser entendida pela reação de eletrólise do filme de ITO e pelo processo de formação de NPs controlado por difusão.

Inicialmente, o filme de ITO começou a reagir na superfície do filme. Tipicamente, a intensidade do campo elétrico através da área mais fina é maior; assim, a velocidade de reação inicial é maior. Consequentemente, defeitos se formariam no filme contínuo a partir dos pontos finos (área), nos quais os átomos de In produzidos se acumulam para formar NPs. Neste estágio, os pequenos NPs formados ainda estavam nas áreas de defeito, sendo cercados pelo filme de ITO. Com o aumento do tempo de reação, a maior parte do material de ITO foi reduzido para formar NPs de In na superfície. Quando o tempo de reação atingiu 0,5 min, grande quantidade de NPs foram formados, estando incorporados no filme de ITO. Quando o tempo de reação aumentou para 1,5 min, o tamanho e a densidade dos NPs aumentaram, e o gap entre NPs diminuiu. Aumentando ainda mais o tempo de reação para 3,0 e 5,0 min, os NPs obtidos tornaram-se maiores e mais arredondados, e o gap entre NPs também aumentou. Medidas elétricas mostraram que as áreas de NPs não eram eletricamente condutivas. Isso significa que NPs isolados foram obtidos sem interconexão contínua. Das imagens de MEV na Fig. 3a, pudemos observar que, no tempo de reação de 1,5 min, os NPs formados têm tamanho relativamente uniforme e dispostos próximos. Gap menor geralmente significa realce eletromagnético mais forte. Assim, 1,5 min foi selecionado para preparar as amostras SERS para experimentos posteriores.

Depois, investigamos o efeito da tensão aplicada no tamanho e densidade dos NPs formados. Um vidro ITO com ITO de 25 nm de espessura foi escolhido para este experimento, e uma reação de eletrólise foi realizada em diferentes tensões aplicadas por 1,5 min. Como mostrado na Fig. 3b, a densidade dos NPs formados aumentou com a tensão aplicada. Em baixa tensão de 50 e 100 V, a quantidade de NPs formados foi baixa; e assim, na mesma área, sua densidade foi baixa, sendo obviamente separados entre si. Quando a tensão aplicada foi aumentada para 150 e 200 V, mais NPs foram formados, mostrando padrões compactamente arranjados. Tamanho uniforme e alta densidade são essenciais para adquirir espectros Raman reprodutíveis com alta sensibilidade. Assim, a tensão aplicada ideal para preparação do substrato SERS foi definida em 150 V.

A Figura 3c mostra as imagens de MEV dos NPs formados a partir de filmes de ITO de 25, 50, 100 e 200 nm por reação de eletrólise a 150 V por 1,5 min. No caso de filme de ITO de 25 nm, maior densidade e NPs mais uniformes foram observados em comparação com os outros três filmes de ITO com espessura de 50, 100 e 200 nm. Conforme relatado, a rugosidade superficial e a resistividade de substratos condutores afetam sua cristalinidade. Tipicamente, a rugosidade superficial aumenta com a espessura do filme. NPs mais uniformes de filme de ITO mais fino foram atribuídos às superfícies mais planas com menos defeitos. Portanto, o filme de ITO mais fino exibiu a menor rugosidade, resultando nos NPs mais uniformes. Por outro lado, a resistividade dos filmes de ITO influenciaria o processo inicial de formação de NPs de In. A resistência quadrada foi 93,52, 31,05, 15,86 e 6,97 Ω/sq para espessura de filme de ITO de 25, 50, 100 e 200 nm, respectivamente. Isso significa que, na mesma tensão aplicada, baixa corrente elétrica foi obtida através do filme de ITO fino. Como resultado, reação lenta e branda foi alcançada no filme fino. Isso é consistente com o resultado experimental de que NPs mais uniformes e de maior densidade foram formados a partir dos filmes de ITO mais finos. De acordo com estes resultados, os parâmetros experimentais para preparação dos NPs para aplicação SERS foram selecionados como espessura de filme de ITO de 25 nm, tensão aplicada de 150 V e tempo de reação de eletrólise de 1,5 min. Além disso, o filme de FTO também foi aplicado para eletrólise. Como mostrado no Arquivo Adicional 1: Figura S2, micro e nanopartículas formaram-se após a eletrólise. Isso pode sugerir que tal reação de eletrólise também é aplicável para outros filmes de óxido metálico em várias condições e potencial para outras aplicações.

Caracterização SERS

Para avaliar o efeito SERS do substrato fabricado com NPs de alta densidade, o 4-MBT foi selecionado como molécula sonda devido à sua pequena quantidade de picos bem caracterizados e grande seção transversal Raman. Uma fina camada de Ag foi depositada no substrato obtido (preparado sob as condições otimizadas mencionadas acima) com NPs de alta densidade. Imagens de MEV no Arquivo Adicional 1: Figura S3a–c mostram as morfologias dos NPs cobertos com Ag, com espessura de camada de Ag de 30, 77 e 160 nm, respectivamente. Variando a espessura da camada de Ag, os gaps entre NPs diminuíram. A maior intensidade Raman média foi obtida com espessura de Ag de 77 nm (Arquivo Adicional 1: Figura S3d).

A Figura 4a, b mostra a caracterização SERS detalhada no substrato com NPs de In preparados sob as condições otimizadas e cobertos com 77 nm de Ag depositado. A amostra de referência foi preparada depositando diretamente 77 nm de filme de Ag sobre vidro ITO (25 nm). O sinal Raman foi significativamente realçado no substrato SERS de NPs comparado ao substrato de referência. Os dois picos característicos principais para moléculas de 4-MBT a 1079 e 1594 cm^-1 foram claramente observados no substrato SERS de NPs. O pico de 1079 cm^-1 representa uma combinação do modo de respiração do anel fenil, dobra C–H no plano e alongamento C–S. O pico a 1594 cm^-1 pode ser atribuído ao movimento de alongamento do fenil (modo vibracional 8a).

Para investigar a homogeneidade relativa em grande área do substrato SERS de NPs preparado, 10 medidas foram realizadas no mesmo substrato movendo aleatoriamente a amostra no palco do instrumento Raman. A Figura 4b mostra os espectros Raman medidos, sugerindo intensidades de sinal relativamente consistentes para cada pico característico do 4-MBT. O desvio padrão relativo (RSD) da intensidade Raman a 1594 cm^-1 foi de cerca de 4,1%, indicando a alta reprodutibilidade do sinal do substrato SERS preparado via este processo proposto.

Além disso, R6G também foi selecionado para demonstrar a confiabilidade e sensibilidade do substrato SERS. A Figura 4c mostra os espectros Raman medidos em um substrato SERS de NPs como-preparado e um filme de Ag de referência. Os picos característicos de R6G foram observados a 614, 771, 1187, 1362, 1507, 1571 e 1648 cm^-1. Os picos a 614, 771 e 1187 cm^-1 são atribuídos a dobra C–C–C do anel no plano, dobra C–H fora do plano e vibrações de alongamento C–O–C, respectivamente. E os picos a 1362, 1507, 1571 e 1648 cm^-1 estão associados a vibrações de alongamento C–C aromático.

A Figura 4d exibe os espectros Raman em um substrato SERS de NPs como-preparado em solução aquosa de R6G com concentrações variando de 5 × 10^-12 a 5 × 10^-7 M. As intensidades Raman de R6G diminuíram obviamente com a diminuição da concentração de R6G. Os picos característicos de R6G ainda puderam ser identificados claramente mesmo na concentração de R6G tão baixa quanto 5 × 10^-12 M, indicando a alta sensibilidade do substrato SERS de NPs fabricado. Para caracterizar quantitativamente o efeito SERS do substrato de NPs preparado, calculamos o fator de realce (EF). Os espectros Raman de pós puros de 4-MBT e R6G (Arquivo Adicional 1: Figura S4), e a informação detalhada do cálculo de EF (Arquivo Adicional 1: Figura S5) são apresentados na informação suplementar. EFs para 4-MBT e R6G foram calculados como 1,12 × 10⁶ e 6,79 × 10⁵ em seus picos Raman característicos de 1079 e 1648 cm^-1, respectivamente. Além disso, moléculas com menor seção transversal Raman de MESNa também foram usadas para medida SERS, como mostrado no Arquivo Adicional 1: Figura S6, demonstrando o efeito SERS confiável.

Em geral, o realce SERS pode ser contribuído por efeitos eletromagnéticos (EM) e químicos (CM). Arquivo Adicional 1: Figura S7 mostra o espectro de absorção do substrato de NPs coberto com filme de 77 nm de Ag. O substrato de referência foi preparado depositando 77 nm de Ag em filme de ITO (25 nm) nu. O substrato de NPs foi fabricado sob os parâmetros experimentais otimizados de espessura de filme de ITO de 25 nm, tensão aplicada de 150 V e tempo de reação de eletrólise de 1,5 min. Quando o comprimento de onda de excitação é o mesmo ou próximo ao pico de ressonância de plasmon de superfície (SPR), o acoplamento plasmonico eletromagnético ocorrerá e induzirá forte realce SERS. O pico SPR do substrato SERS de NPs está em ~ 453 nm (Arquivo Adicional 1: Figura S7), que é próximo ao comprimento de onda de excitação de 532 nm usado em nosso experimento; portanto, o realce SERS resulta principalmente do realce eletromagnético de acordo com os "hotspots" dos inter-gaps entre NPs. Para investigar ainda mais o realce EM, simulação de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) foi realizada para estudar o campo elétrico nos inter-gaps dos NPs. Os resultados do campo elétrico total relativo são mostrados no Arquivo Adicional 1: Figura S8. Resultados da simulação mostram que o realce do campo elétrico ocorre principalmente nos gaps entre NPs. O fator máximo de 3,0 representa um realce de campo |E|² de 10³ correspondendo a um EF de 10⁶, que está em bom acordo com os resultados experimentais (1,12 × 10⁶ a 1079 cm^-1 para 4-MBT e 6,79 × 10⁵ a 1648 cm^-1 para R6G).

Além disso, materiais semicondutores (In₂O₃, SnO₂, TiO₂) foram relatados para realçar sinal SERS por transferência de carga entre as moléculas e materiais (ex.: R6G e óxidos de metais de transição, 4-mercaptobenzoico (4-MBA)/4-nitrobenzenotiol (4-NBT) e SnO₂), o que está relacionado ao CM. ITO é composto de In₂O₃ e SnO₂ em várias proporções. Após eletrólise do ITO em meio aquoso, os NPs de In são formados devido à reação de redução eletroquímica; e ao mesmo tempo, os picos do ITO ainda podiam ser observados obviamente como mostrado na Fig. 1e. Para investigar quanto o realce CM da transferência de carga In₂O₃/SnO₂-para-molécula contribuiu para o efeito SERS obtido, os espectros Raman de 10^-4 M 4-MBT e 5 × 10^-7 M R6G no vidro ITO, substrato de NPs após eletrólise do ITO, vidro ITO revestido com filme de 77 nm de Ag, e substrato de NPs revestido com 77 nm de filme de Ag foram medidos, respectivamente (Arquivo Adicional 1: Figura S9). O substrato de NPs foi fabricado sob os parâmetros experimentais otimizados de espessura de filme de ITO de 25 nm, tensão aplicada de 150 V e tempo de reação de eletrólise de 1,5 min. Os picos Raman característicos de 4-MBT e R6G foram difíceis de distinguir no vidro ITO, substrato de NPs após eletrólise do ITO e vidro ITO revestido com filme de Ag; no entanto, os picos Raman óbvios de 4-MBT e R6G foram observados no substrato de NPs revestido com filme de Ag. Assim, o realce CM da transferência de carga In₂O₃/SnO₂-para-molécula é considerado fraco, sendo desprezível comparado ao realce EM. O efeito SERS altamente realçado é principalmente contribuído pelo realce eletromagnético entre os inter-gaps entre NPs de In.

Arranjos de NPs Padronizados para Caracterização SERS Simultânea de Várias Amostras em Um Substrato

Como demonstrado na seção anterior, este método poderia facilmente criar os NPs por uma reação de eletrólise simples e rápida em filme de ITO na nanoescala. Além disso, um filme de ITO pode ser padronizado protegendo parcialmente ou segmentando o filme, formando assim arranjos em um substrato, como demonstrado esquematicamente na Fig. 5a. Três substratos de 3,5 × 3,5 cm² foram padronizados em áreas SERS de 1 × 1, 3 × 3 e 5 × 5, como demonstrado na Fig. 5b. Como a área de ITO para reação de eletrólise foi aumentada comparada à eletrólise de gota, o número total de cargas aumenta durante a eletrólise, induzindo aumento na corrente e diminuição na resistência. De acordo com o limite de corrente da fonte de alimentação de 1,512 A, a tensão de saída máxima de ~ 75 V foi aplicada para preparação de NPs de In nas células em paralelo padronizadas. O tempo de eletrólise foi investigado, como demonstrado no Arquivo Adicional 1: Figura S10. Os arranjos de NPs com maior densidade e uniformidade foram obtidos no tempo de reação de 5,0 min. Aqui, os parâmetros otimizados de espessura de filme de ITO de 25 nm, tensão aplicada de 75 V e tempo de reação de eletrólise de 5,0 min foram empregados para fabricação do substrato SERS de grande área com arranjos de NPs padronizados. Arranjos de NPs quadrados de 50 × 50 μm² com distância de gap de cerca de 5,0 μm foram alcançados, como mostrado no Arquivo Adicional 1: Figura S11.

Um substrato com áreas 3 × 3 preparado sob as condições otimizadas foi usado como substrato SERS para detecção de múltiplas amostras. Como ilustrado na Fig. 6a, 9 gotas individuais (3,0 μL cada) contendo 9 diferentes soluções analíticas foram depositadas nas 9 áreas padronizadas. Os 9 analitos selecionados 4-MBT, R6G, cloridrato de dopamina, ureia, formaldeído, azul de metileno, MESNa, d-(+)-Glicose e melamina foram colocados no substrato como marcados como amostras 1 a 9, respectivamente. Como visto na Fig. 6b, todas as 9 moléculas mostram picos Raman característicos óbvios. Isso provou o conceito de usar um substrato para detecção simultânea de várias amostras em um substrato.

Conclusões

Em resumo, propusemos e validamos um método simples, rápido e barato para fabricar NPs como substratos SERS em superfície de grande área com estruturas padronizáveis. A formação de NPs baseou-se na eletrólise de filme de ITO em meio aquoso. Os fatores de tempo de eletrólise, tensão aplicada e espessura do filme de ITO determinaram o tamanho e a densidade dos NPs. NPs bem distribuídos com tamanho na faixa de 50–60 nm foram obtidos pela eletrólise de um filme de ITO de 25 nm de espessura a uma tensão aplicada de 150 V por 1,5 min (eletrólise de gota). O substrato de NPs fabricado foi avaliado por seu efeito SERS após deposição de ~ 77 nm de Ag, usando várias moléculas sonda. Espectros Raman reprodutíveis e sensíveis foram obtidos para 4-MBT e R6G com EFs de ~ 1,12 × 10⁶ e ~ 6,79 × 10⁵, respectivamente. Além disso, combinado com fotolitografia, um substrato de 3,5 × 3,5 cm² pode ser padronizado com 1, 9 ou 25 áreas SERS, para as quais detecção de múltiplas amostras pode ser alcançada simultaneamente em um substrato com apenas uma gota de cada solução analítica. Isso é altamente necessário para qualificação rápida de moléculas específicas para situações de aplicação no local como POCT, monitoramento ambiental e verificação de segurança aeroportuária. Tal tecnologia mostra vantagens de fácil fabricação sob condições brandas, sendo padronizável para formar arranjos em superfície grande, e sendo integrável com microfluídica para aplicações optofluidicas de alta vazão.