Matriz de nano-pontos padronizáveis ​​e de área grande da eletrólise do filme ITO para espectroscopia Raman aprimorada de superfície

Resumo

A fabricação de dispositivos de grande área com nanoestruturas padronizáveis ​​é importante para aplicações práticas em dispositivos ópticos ou elétricos. Neste trabalho, descrevemos um método fácil e ecológico para a preparação de matrizes de nano-pontos (ND) de grande área por meio da reação eletrolítica de um filme de óxido de metal. NDs com vários tamanhos e morfologia podem ser obtidos ajustando a voltagem aplicada, o tempo de eletrólise e a espessura do filme da camada de óxido de índio e estanho (ITO). NDs de alta densidade com tamanho de 50-60 nm podem ser obtidos por eletrólise de um filme ITO de 25 nm de espessura a 150 V por 1,5 min sob um meio de gotículas de água, que foram aplicados para espectroscopia Raman de superfície aprimorada (SERS) depois de depositar uma fina camada de prata. O substrato SERS com estrutura ND otimizada exibe detecção sensível de Rodamina 6G (R6G) com limite de detecção de até 5 × 10 ^-12 M. Os fatores de melhoria (EFs) de 1,12 × 10 ⁶ e 6,79 × 10 ⁵ foram alcançados para a caracterização de 4-metilbenzenotiol (4-MBT) e R6G, respectivamente. Com uma etapa fotolitográfica adicional, várias áreas de matrizes de ND podem ser criadas em um substrato, permitindo a detecção simultânea de várias amostras contendo diferentes moléculas em um experimento. Esse método é rápido, fácil, padronizado e ecológico, sendo adequado para a determinação rápida e síncrona de várias moléculas no local para aplicações em pontos de atendimento, monitoramento ambiental e campos de segurança aeroportuária.

Introdução

O espalhamento Raman intensificado pela superfície (SERS) foi observado algumas décadas atrás a partir da superfície rugosa do eletrodo de prata [1]. Ele tem sido amplamente investigado não apenas para compreender o mecanismo de SERS, mas também para alcançar aplicações práticas. Duas séries clássicas de substratos SERS foram desenvolvidas, os materiais coloidais auto-montados e as estruturas nanofabricadas [2]. Nanopartículas de metais de cunhagem como Ag, Au e Cu foram sintetizadas para estudos SERS [3, 4]. Os sistemas de nanopartículas são fáceis de usar, porém falta repetibilidade e reprodutibilidade com sensibilidade relativamente baixa [5, 6]. Nanoestruturas fabricadas por litografia de feixe eletrônico [7, 8], litografia de interferência a laser [9, 10], litografia por feixe de íons focado [11], litografia de nanosfera [12] e litografia de nanoimpressão [13] mostraram alto realce de sinal com excelente repetibilidade . No entanto, essas tecnologias de nanofabricação requerem equipamentos caros e ambientes restritos, como uma sala ultralimpa; e o processo de fabricação também é lento.

Uma vez que o SERS pode ser usado diretamente para detecção e identificação molecular em meio aquoso sem interrupção da água, ele tem sido amplamente aplicado para detecção de pequeno porte e bimolecular [14,15,16]. Para aplicações melhores e mais amplas, a fabricação fácil e rápida do substrato de microarray SERS ainda é altamente necessária para a detecção simultânea de várias moléculas, especialmente para aplicações em tecnologia de ponto de atendimento (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 especiais ou gases para síntese de partículas e processos de corrosão seca, respectivamente, e alto consumo de energia para design e deposição sofisticados de camada por camada. Vários tipos de poluição hostil ao meio ambiente são produzidos durante os processos, como orgânicos, ácidos, básicos, íons de metais pesados ​​e gases tóxicos de corrosão.

Filmes ITO podem ser preparados por meio de tecnologia de deposição de metal padrão e amplamente utilizados em laboratório e indústria como substrato condutor de acordo com sua transparência e baixo custo. Gao et al. relataram que o filme ITO poderia ser transformado em pontos de índio (In) sob polarização catódica em solução de NaOH [17].

Neste trabalho, propomos e verificamos uma tecnologia mais simples, rápida e ecológica ao criar NDs na superfície do vidro por meio da eletrólise direta do filme de ITO em água em uma única etapa. Com um processo fotolitográfico adicional, matrizes ND podem ser criadas com várias áreas separadas padronizadas e, assim, alcançar a determinação simultânea de várias amostras contendo vários tipos de moléculas em um substrato. A eletrólise ocorre em condições amenas em baixa tensão em meio aquático / médio.

Materiais e métodos

Materiais e Reagentes

Vidro ITO (1,1 mm de espessura) foi adquirido de 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. O vidro de óxido de estanho dopado com flúor (FTO) (2,2 mm de espessura) foi adquirido na Yaoke Photoelectric Co., Ltd. (Jiangsu, China), com espessura de FTO de 400 nm e resistência quadrada de 10,85 Ω / sq. Água desionizada (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 (Damao Chemical Reagent Factory, Tianjin, China) e acetona (Zhiyuan Chemical Reagent Co., Ltd., Tianjin, China) foram usados ​​para limpar o vidro ITO. O fotorresistente SUN-120P foi adquirido da Suntific Microelectronic Materials Co., Ltd. (Shandong, China) para padronização de ITO. 4-Metilbenzenotiol (4-MBT, 98%), 2-mercaptoetanossulfonato de sódio (MESNa, ≥ 98,0%) e cloridrato de dopamina foram todos adquiridos da Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA). A rodamina 6G (R6G, 98,5%) foi adquirida na J&K Scientific (Pequim, China). Hidróxido de potássio (KOH, GR 95%) e melamina (99%) foram adquiridos de Aladdin (Shanghai, China). A 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 na Damao Chemical Reagent Factory (Tianjing, China). Solução de formaldeído (AR, 37-40%), dihidrogenofosfato de sódio desidratado (AR, ≥ 99,0%) e hidrogenofosfato dissódico dodecaidratado (AR, ≥ 99,0%) foram adquiridos da Guangzhou Chemical Reagent Factory (Guangzhou, China). Todas as substâncias foram usadas quando recebidas.

Eletrólise de filme 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 usando sopro de nitrogênio. A Figura 1 mostra o esquema do processo de fabricação. Uma gota de água DI foi gotejada na superfície do ITO como meio de eletrólise. Um fio de volfrâmio (W) foi inserido na gota e conectado ao eletrodo positivo, e o filme ITO foi conectado ao eletrodo negativo de um fornecedor de energia (PSW800-1.44, GWINSTEK, Taiwan, China), conforme desenhado na Fig. 1a. Quando uma tensão foi aplicada através da água, o ITO foi eletrolisado para formar Em NDs dentro da área do meio de água (Fig. 1b).

Esquema da formação de In NDs a partir da eletrólise do filme de ITO. a Estado inicial de uma gota de água em um filme de ITO sem aplicação de voltagem. b Formação de NDs na área coberta com água quando uma tensão é aplicada. c Imagem SEM da superfície intacta do filme ITO correspondente a a . d Imagem SEM dos NDs formados correspondendo a b (voltagem aplicada de 150 V por 1,5 min em espessura de filme ITO de 25 nm). e Espectros de XRD do filme ITO antes e depois da eletrólise. f Imagem TEM do obtido em NDs

Além disso, um filme ITO pode ser facilmente padronizado para várias áreas na faixa de micrômetro a centímetro. Um filme ITO também pode ser padronizado para uma matriz com várias áreas isoladas consistindo de NDs para atingir várias áreas funcionais em um substrato. Isso é muito importante para dispositivos de detecção múltipla / de alto rendimento. Para formar matrizes ND padronizadas, 3,5 × 3,5 cm ² A superfície de vidro ITO foi padronizada para separar áreas quadradas por meio de um processo de fotolitografia. Posteriormente, um substrato de ITO com padrão de grade e um substrato de ITO plano foram ligados face a face para formar um dispositivo em paralelo selado com estrutura adesiva de pressão de 200 μm de espessura e preenchido com água DI. Os ITOs planos e padronizados foram conectados aos eletrodos positivo e negativo de um fornecedor de energia, respectivamente. Este método foi altamente adequado para a preparação de matrizes ND padronizadas e de grandes áreas.

Medições SERS

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

Para caracterizar a sensibilidade de tal substrato SERS, os espectros Raman foram medidos usando um microscópio Renishaw inVia Raman (Renishaw 42 K846, Renishaw Co., Ltd., UK). Um substrato SERS foi imerso na solução de analito por 1 h e então completamente enxaguado por 1 min usando o solvente correspondente e seco com gás nitrogênio puro. O substrato SERS seco foi então colocado na platina do microscópio Raman para medições. Um laser de 532 nm com uma potência de ~ 0,14 mW foi focado na amostra por meio de uma lente objetiva × 50 (abertura numérica, NA =0,5, Leica). O diâmetro do ponto de laser no substrato foi de 1,30 μm. A excitação do laser espalhado elasticamente foi removida 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 de sonda de 4-MBT, R6G, cloridrato de dopamina, uréia, formaldeído, azul de metileno, MESNa, d - (+) - glicose, melamina foram escolhidas para caracterizar o substrato SERS preparado para determinação simultânea de moléculas múltiplas. 4-MBT e azul de metileno foram dissolvidos em etanol. MESNa foi dissolvido em água DI com pH de 2,7 ajustado pela solução tampão de fosfato. A solução d - (+) - de glicose foi preparada usando uma solução tampão de fosfato com pH de 7,5. Todas as demais soluções de amostra foram preparadas dissolvidas em água DI. Para cada medição, uma gota de 3,0 μL de solução preparada foi gotejada rapidamente no substrato e o espectro Raman foi registrado imediatamente. As concentrações de analito eram 10 ^-4 , 5 × 10 ^-11 , 10 ^-3 , 0,5, 10 ^-3 , 10 ^-5 , 10 ^-2 , 1 e 10 ^-2 M para solução de etanol 4-MBT, solução aquosa 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 medições foram realizadas imediatamente usando o instrumento Raman (Finder Insight, Zolix Instruments Co., Ltd., Pequim, China) com um laser de excitação de comprimento de onda de 532 nm e potência de 2,5 mW. O feixe de laser de 10 μm de diâmetro foi focado na amostra por meio de uma objetiva × 50 (NA =0,55). Cada espectro Raman foi coletado por 0,3 s / tempo, com acúmulo de 10 vezes.

Outras caracterizações

As morfologias do substrato fabricado foram caracterizadas por meio de microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (FE-SEM) (ZEISS-Ultra 55, Carl Zeiss AG, Alemanha) a uma tensão de aceleração de 5 kV. As medições de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) foram realizadas usando uma microscopia JEM-2100 (JEM-2100HR, JEOL, Japão). Os nanopartículas (nanopartículas) foram raspados e dispersos em água DI. A composição química foi analisada utilizando um espectroscópio dispersivo de energia (EDS) equipado no FE-SEM e um difração de raios-X (XRD) (X'Pert PRO, PANalytical, Holanda) equipado com uma fonte de radiação Cu Ká, a uma taxa de varredura de 0,04 ° / s, e o ângulo de difração (2 θ ) 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 Nanodots por eletrólise de filme ITO em meio aquoso

Filmes de ITO como substratos condutores transparentes têm sido amplamente aplicados em dispositivos optoeletrônicos, como dispositivo de emissão de luz (LED) [18], display [19] e célula solar [20]. Em geral, a corrosão ITO é prejudicial para aplicações de dispositivos eletrônicos. Aqui, por outro lado, fazemos uso da corrosão ITO induzida pela reação de eletrólise para formar NDs compactados e usados ​​para aplicação SERS. O esquemático da formação de ND 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, ITO é composto por In ₂ O ₃ e SnO ₂ em várias proporções. O EDS foi realizado para caracterizar a composição do ITO, conforme mostrado no Arquivo Adicional 1:Figura S1. Após um período de reação de eletrólise, a superfície do ITO tornou-se translúcida e amarela após a secagem. Caracterizado por SEM, descobrimos que NDs compactados na superfície do vidro foram formados na superfície do vidro (Fig. 1d). A medição de XRD na Fig. 1e mostra que três novos picos apareceram após a eletrólise, que corresponde a (101), (002) e (110) planos de cristal do elemento In. No entanto, os picos de ITO tornaram-se menores. A imagem TEM na Fig. 1f confirma que os NDs formados são de material In.

O filme ITO é um material de óxido de metal com morfologias cristalinas e amorfas, com rugosidade de superfície tipicamente em nanoescala [21]. Foi relatado que o ITO pode ser corroído pelo NaOH para formar nanopartículas [17]. Quando uma tensão é aplicada ao filme ITO, os elétrons são transferidos entre o cátodo e o ânodo. Portanto, as reações eletroquímicas no cátodo e no ânodo podem ser descritas pelas Eqs. (1) e (2):
$$ \ mathrm {Cathode}:{\ mathrm {In}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 3 + 3 {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} +6 {\ mathrm {e}} ^ { -} \ a 2 \ mathrm {In} +6 {\ mathrm {O} \ mathrm {H}} ^ {-} $$ (1) $$ \ mathrm {Ânodo}:4 {\ mathrm {O} \ mathrm {H}} ^ {-} \ to {\ mathrm {O}} _ 2 + 2 {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} +4 {\ mathrm {e}} ^ {-} $$ (2 )
Portanto, o processo de formação de ND pode ser ilustrado na Fig. 2. No início, a reação de eletrólise é homogênea sobre a superfície de ITO. No entanto, o filme de ITO não é perfeitamente homogêneo com a variação da espessura do filme existente de acordo com o processo de fabricação de ITO normal, especialmente para filmes de ITO amorfos [22]. Portanto, com a evolução do tempo, a área mais fina será consumida mais rapidamente para formar defeitos de acordo com a maior intensidade do campo elétrico e menor espessura. Após atingir a concentração de saturação em água, átomos de In reduzidos começam a se acumular para formar NDs na superfície. Durante a eletrólise, transparência óbvia e mudança de cor puderam ser observadas após um período de tempo. De acordo com o efeito da tensão interfacial durante um processo de orvalho, uma grande quantidade de NDs foi formada na superfície. Tal método, sem quaisquer requisitos para tratamento e produtos químicos específicos, é realizado em meio aquoso com uma tensão aplicada e, portanto, pode ser considerado uma tecnologia amiga do ambiente.

Ilustração esquemática do processo de formação de In NDs a partir da eletrólise do filme ITO

Parâmetros de eletrólise:tempo de reação, tensão aplicada e espessura do filme ITO

O tamanho e a densidade dos NDs estão relacionados à espessura do filme de ITO e à cinética de reação [23]. Neste trabalho, os fatores efetivos de tempo de reação, tensão aplicada e espessura do filme de ITO foram investigados para descobrir o processo de formação do ND. Desta forma, parâmetros experimentais podem ser otimizados para preparar substrato SERS com alta sensibilidade. A Figura 3a mostra as imagens SEM de NDs obtidos no vidro (ITO de 25 nm de espessura) a uma voltagem aplicada de 150 V em diferentes tempos de reação. Obviamente, mostra o processo de formação sequencial de um filme ITO contínuo (Fig. 1c) para pequenos NDs embutidos no filme, NDs ásperos, NDs suaves e NDs em pé e separados, conforme demonstrado nas imagens na Fig. 3a da esquerda para a direita , respectivamente. Esta mudança gradual na morfologia e no tamanho pode ser compreendida pela reação de eletrólise do filme de ITO e o processo de formação de ND controlado por difusão.

Fabricação de NDs sob várias condições experimentais, variando a tempo de reação, a uma tensão aplicada constante de 150 V e espessura de filme ITO de 25 nm, b tensão aplicada, com espessura de filme ITO constante de 25 nm e tempo de reação de 1,5 min, e c Espessura do filme ITO, com tensão aplicada constante de 150 V e tempo de reação de 1,5 min

Inicialmente, o filme ITO começou a reagir na superfície do filme. Normalmente, a intensidade do campo elétrico na área mais fina é maior; assim, a velocidade de reação inicial é maior. Conseqüentemente, defeitos se formariam no filme contínuo a partir dos pontos finos (área), nos quais os átomos de In produzidos se acumularam para formar NDs. Nesta fase, pequenos NDs formados ainda se encontravam nas áreas de defeitos, sendo circundados pelo filme ITO. Com o aumento do tempo de reação, a maior parte do material ITO foi reduzida para formar In NDs na superfície. Quando o tempo de reação atingiu 0,5 min, grande quantidade de NDs foram formados, sendo incorporados no filme de ITO. Quando o tempo de reação aumentou para 1,5 min, o tamanho e a densidade dos NDs aumentaram e a lacuna entre os NDs diminuiu. Aumentando ainda mais o tempo de reação para 3,0 e 5,0 min, os NDs obtidos se tornaram maiores e mais redondos, e a lacuna entre os NDs também aumentou. As medições elétricas mostraram que as áreas ND não eram eletricamente condutivas. Isso significa que NDs isolados foram obtidos sem interconexão contínua. A partir das imagens de SEM na Fig. 3a, pudemos observar que, no tempo de reação de 1,5 min, os NDs formados têm tamanho relativamente uniforme e dispostos próximos. Lacuna menor geralmente significa aprimoramento eletromagnético mais forte. Assim, 1,5 min foi selecionado para a preparação das amostras SERS para experimentos posteriores.

Posteriormente, investigamos o efeito da voltagem aplicada sobre o tamanho e a densidade dos NDs formados. Um vidro ITO com um 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. Conforme mostrado na Fig. 3b, a densidade de NDs formados aumentou com a voltagem aplicada. Em baixa tensão de 50 e 100 V, a quantidade de NDs formados era baixa; e assim, na mesma área, sua densidade era baixa, estando obviamente separadas umas das outras. Quando a tensão aplicada foi aumentada para 150 e 200 V, mais NDs foram formados, mostrando padrões próximos. Tamanho uniforme e alta densidade são essenciais para adquirir espectros Raman reproduzíveis com alta sensibilidade. Assim, a voltagem aplicada ideal para a preparação do substrato SERS foi fixada em 150 V.

A Figura 3c mostra os NDs de imagens SEM formados a partir de filmes ITO de 25, 50, 100 e 200 nm por reação de eletrólise a 150 V por 1,5 min. No caso do filme de ITO de 25 nm, maior densidade e NDs mais uniformes foram observados em comparação com outros três filmes de ITO com espessura de 50, 100 e 200 nm. Conforme relatado, a rugosidade da superfície e a resistividade de substratos condutores afetam sua cristalinidade [22]. Normalmente, a rugosidade da superfície aumenta com a espessura do filme. NDs mais uniformes do filme ITO mais fino foram atribuídos às superfícies mais planas com menos defeitos. Portanto, o filme ITO mais fino exibiu a menor rugosidade, resultando em NDs mais uniformes. Por outro lado, a resistividade dos filmes ITO influenciaria o processo inicial de formação do In ND. A resistência quadrada foi 93,52, 31,05, 15,86 e 6,97 Ω / sq para a espessura do filme ITO de 25, 50, 100 e 200 nm, respectivamente. Isso significa que, na mesma tensão aplicada, baixa corrente elétrica foi obtida através do filme fino de ITO. Como resultado, uma reação lenta e moderada foi alcançada em filme fino. Isso é consistente com o resultado experimental de que NDs mais uniformes e de maior densidade foram formados a partir dos filmes ITO mais finos. De acordo com esses resultados, os parâmetros experimentais para a preparação dos NDs para aplicação de SERS foram selecionados para serem de 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 FTO também foi aplicado para eletrólise. Conforme mostrado no arquivo adicional 1:Figura S2, micro e nanopartículas formadas após a eletrólise. Isso pode sugerir que tal reação de eletrólise também é aplicável para outros filmes de óxido de metal em várias condições e potencial para outras aplicações.

Caracterização SERS

Para avaliar o efeito SERS do substrato fabricado com NDs de alta densidade, 4-MBT foi selecionado como a molécula de sonda devido à sua pequena quantidade de picos bem caracterizados e grande seção transversal Raman [24]. Uma fina camada de Ag foi depositada no substrato obtido (preparado nas condições otimizadas mencionadas acima) com NDs de alta densidade. Imagens SEM no arquivo adicional 1:A Figura S3a-c mostra as morfologias de NDs cobertos por Ag, na espessura da camada Ag de 30, 77 e 160 nm, respectivamente. Variando a espessura da camada Ag, as lacunas entre os NDs diminuíram. A maior intensidade Raman média foi obtida na espessura Ag de 77 nm (arquivo adicional 1:Figura S3d).

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

a Espectro Raman de 10 ^-4 M 4-MBT em um substrato SERS com NDs preparados sob as condições otimizadas. b 10 espectros Raman de 10 ^-4 M 4-MBT coletado em um substrato SERS movendo aleatoriamente o substrato no palco do instrumento Raman. c Espectros Raman de 5 × 10 ^-7 M R6G em um substrato SERS preparado. d Espectros Raman de R6G com concentrações de 5 × 10 ^-12 , 5 × 10 ^-11 , 5 × 10 ^-10 , 5 × 10 ^-9 , 5 × 10 ^-8 e 5 × 10 ^-7 M em substratos SERS. O substrato de referência foi preparado depositando 77 nm Ag em um filme ITO (25 nm) nu.

Para investigar a homogeneidade relativa sobre uma grande área do substrato SERS ND preparado, 10 medições 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 em 1594 cm ^-1 foi de cerca de 4,1%, indicando a alta reprodutibilidade do sinal do substrato SERS preparado por meio deste 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 ND conforme preparado e um filme de Ag de referência. Os picos característicos de R6G foram observados em 614, 771, 1187, 1362, 1507, 1571 e 1648 cm ^-1 . Os picos em 614, 771 e 1187 cm ^-1 são atribuídos à flexão no plano do anel C – C – C, flexão C – H fora do plano e vibrações de alongamento C – O – C, respectivamente. E os picos em 1362, 1507, 1571 e 1648 cm ^-1 estão associados a vibrações de alongamento C – C aromáticas [26].

A Figura 4d exibe os espectros Raman em um substrato SERS ND como preparado em solução aquosa R6G com concentrações variando de 5 × 10 ^-12 para 5 × 10 ^-7 As intensidades M. Raman de R6G diminuíram obviamente com a diminuição da concentração de R6G. Os picos característicos de R6G ainda podem ser identificados claramente, mesmo na concentração de R6G tão baixa quanto 5 × 10 ^-12 M, indicando a alta sensibilidade do substrato ND SERS fabricado. Para caracterizar quantitativamente o efeito SERS do substrato ND preparado, calculamos o fator de intensificação (EF). Os espectros Raman de pós puros de 4-MBT e R6G (Arquivo adicional 1:Figura S4) e as informações detalhadas do cálculo de EF (Arquivo adicional 1:Figura S5) são apresentados nas informações complementares. EFs para 4-MBT e R6G foram calculados como 1,12 × 10 ⁶ e 6,79 × 10 ⁵ em seus picos Raman característicos de 1079 e 1648 cm ^-1 , respectivamente. Além disso, moléculas com menor seção transversal Raman de MESNa [27] também têm sido usadas para medição SERS, como mostrado no arquivo adicional 1:Figura S6, demonstrando o efeito SERS confiável.

Em geral, o aumento de SERS pode ser contribuído de efeitos eletromagnéticos (EM) e químicos (CM) [28]. Arquivo adicional 1:A Figura S7 mostra o espectro de absorção do substrato ND revestido com filme de Ag de 77 nm. O substrato de referência foi preparado depositando 77 nm Ag em um filme ITO (25 nm) nu. O substrato NDs foi fabricado sob os parâmetros experimentais otimizados de espessura de filme 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 da ressonância plasmônica de superfície (SPR), o acoplamento eletromagnético plasmônico ocorrerá e induzirá um forte aumento de SERS [29]. O pico SPR do substrato SERS NDs está em ~ 453 nm (arquivo adicional 1:Figura S7), que está próximo ao comprimento de onda de excitação de 532 nm usado em nosso experimento; portanto, o realce SERS é principalmente resultado do realce eletromagnético de acordo com os “hotspots” dos intergaps entre os NDs. Para investigar melhor o realce EM, simulação no domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD) foi realizada para estudar o campo elétrico nos intergaps de NDs. Os resultados do campo elétrico total relativo são mostrados no Arquivo Adicional 1:Figura S8. Os resultados da simulação mostram que o realce elétrico do campo ocorre principalmente nas lacunas entre os NDs. O fator máximo de 3,0 representa um aprimoramento de campo | E | ² de 10 ³ corresponde a um EF de 10 ⁶ , que está de acordo com os resultados experimentais (1,12 × 10 ⁶ a 1079 cm ^-1 para 4-MBT e 6,79 × 10 ⁵ a 1648 cm ^-1 para R6G).

Além disso, os materiais semicondutores (em ₂ O ₃ , SnO ₂ , TiO ₂ ) foram relatados para aumentar o sinal SERS por transferência de carga entre as moléculas e materiais (por exemplo, R6G e óxidos de metal de transição, 4-mercaptobenzoico (4-MBA) / 4-nitrobenzenotiol (4-NBT) e SnO ₂ ), que está relacionado ao CM [28, 30,31,32,33]. ITO é composto por In ₂ O ₃ e SnO ₂ em várias proporções. Após a eletrólise do ITO em meio aquoso, os In NDs são formados devido à reação de redução eletroquímica; e, ao mesmo tempo, os picos de ITO ainda podiam ser observados obviamente, como mostrado na Fig. 1e. Para investigar o quanto o aprimoramento de CM em ₂ O ₃ / SnO ₂ transferência de carga para molécula contribuiu para o efeito SERS obtido, o espectro Raman de 10 ^-4 M 4-MBT e 5 × 10 ^-7 M R6G no vidro de ITO, substrato de NDs após eletrólise de ITO, vidro de ITO revestido com filme de 77 nm Ag e substrato de NDs revestido com filme de 77 nm de ag foram medidos, respectivamente (arquivo adicional 1:Figura S9). O substrato dos NDs foi fabricado sob os parâmetros experimentais otimizados de espessura de filme ITO de 25 nm, voltagem 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 NDs após eletrólise ITO e vidro ITO revestido com filme de Ag; no entanto, os picos Raman óbvios de 4-MBT e R6G foram observados em substrato NDs revestido com filme de Ag. Assim, o aprimoramento de CM de In ₂ O ₃ / SnO ₂ A transferência de carga para molécula é considerada fraca, sendo insignificante em comparação com o aumento de EM. O efeito SERS altamente aprimorado é principalmente contribuído pelo aprimoramento eletromagnético entre as lacunas entre os In NDs.

Matrizes ND padronizadas para caracterização SERS simultânea de várias amostras em um substrato

Conforme demonstrado na sessão anterior, este método pode criar facilmente os NDs por uma reação de eletrólise simples e rápida em um filme ITO em nanoescala. Além disso, um filme de ITO pode ser padronizado protegendo ou segmentando parcialmente o filme, formando assim matrizes em um substrato, como demonstrado esquematicamente na Fig. 5a. Três 3,5 × 3,5 cm ² substratos foram padronizados para áreas SERS 1 × 1, 3 × 3 e 5 × 5, como demonstrado na Fig. 5b. Como a área de ITO para a reação de eletrólise foi aumentada em comparação com a eletrólise da gota, o número de carga total aumenta durante a eletrólise, induzindo o aumento da corrente e diminuição da resistência. De acordo com o limite de corrente do fornecedor de energia de 1,512 A, a tensão máxima de saída de ~ 75 V foi aplicada para a preparação In NDs nas células padronizadas em paralelo. O tempo de eletrólise foi investigado, conforme demonstrado no Arquivo Adicional 1:Figura S10. Os arranjos de ND com maior densidade e uniformidade foram obtidos no tempo de reação de 5,0 min. Aqui, os parâmetros otimizados de espessura de filme ITO de 25 nm, voltagem aplicada de 75 V e tempo de reação de eletrólise de 5,0 min foram empregados para fabricar o substrato SERS de grande área com matrizes ND padronizadas. O 50 × 50 μm ² arranjos ND quadrados com distância de lacuna de cerca de 5,0 μm foram alcançados, como mostrado no arquivo adicional 1:Figura S11.

a Schematic of patterning an ITO film to an array with multiple isolated areas containing NDs. b Images of the 1 × 1, 3 × 3, and 5 × 5 SERS arrays patterned from three 3.5 × 3.5 cm ² ITO-glass substrates

A substrate with 3 × 3 areas prepared under the optimized conditions was used as a SERS substrate for multiple sample detection. As illustrated in Fig. 6a, 9 individual droplets (3.0 μL for each) containing 9 different analytic solutions were dripped at the patterned 9 areas. The selected 9 analytes 4-MBT [25], R6G [26], dopamine hydrochloride [34], urea [35], formaldehyde [36], methylene blue [37], MESNa [38, 39], d-(+)-Glucose [40], and melamine [41] were placed on the substrate as marked as samples 1 to 9, respectively. As seen from Fig. 6b, all 9 molecules show obvious Raman characteristic peaks. This has proven that the concept of using one substrate for simultaneously detection of various samples on one substrate.

a Schematic of 9 sample droplets containing 9 different probe molecules being detected on one substrate with a 3 × 3 SERS arrays. b Raman spectra of the 9 probe molecules on each SERS area of the 3 × 3 arrays

Conclusões

In summary, we have proposed and validated a simple, quick, and cheap method for fabricating NDs as SERS substrates on large-area surface with patternable structures. The formation of NDs was based on electrolysis of ITO film in water medium. The factors of electrolysis time, applied voltage, and ITO film thickness determined the ND size and density. Well-distributed NDs with size in the range of 50–60 nm have been obtained by electrolysis a 25-nm-thick ITO film at an applied voltage of 150 V for 1.5 min (droplet electrolysis). The fabricated ND substrate has been evaluated by its SERS effect after depositing ~ 77 nm Ag, using various probe molecules. Reproducible and sensitive Raman spectra have been obtained for 4-MBT and R6G with EFs of ~ 1.12 × 10 ⁶ and ~ 6.79 × 10 ⁵ , respectivamente. Moreover, combined with photolithography, a 3.5 × 3.5 cm ² substrate could be patterned with 1, 9, or 25 SERS areas, for which multiple sample detection could be achieved simultaneously on one substrate with just one droplet of each analytic solution. This is highly required for quick qualification of specific molecules for on-site application situations like POCT, environmental monitoring, and airport security check. Such a technology shows advantages of easy fabrication under mild conditions, being patternable to form arrays on a large surface, and being integratable with microfluidics for high throughput optofluidic applications.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados ​​durante este estudo estão incluídos neste artigo.

Abreviações

4-MBA:

4-Mercaptobenzoic

4-MBT:

4-Methylbenzenethiol

4-NBT:

4-Nitrobenzenethiol

CM:

Chemical effect

DI:

Deionizada

EDS:

Energy dispersive spectroscope

EF:

Enhancement factor

EFs:

Enhancement factors

EM:

Electromagnetic effect

FDTD:

Domínio do tempo de diferença finita

FE-SEM:

Field emission-scanning electron microscopy

FTO:

Óxido de estanho dopado com flúor

In:

Indium

ITO:

Óxido de índio estanho

KOH:

Hidróxido de potássio

LED:

Light emission device

MESNa:

Sodium 2-mercaptoethanesulfonate

ND:

Nano-dot

POCT:

Point-of-care technology

R6G:

Rhodamine 6G

RSD:

Relative standard deviation

SERS:

Espalhamento Raman aprimorado pela superfície

SERS:

Surface-enhanced Raman spectroscopy

SPR:

Ressonância de plasmon de superfície

TEM:

Microscopia eletrônica de transmissão

W:

Wolfram

XRD:

Difração de raios X

Um dispositivo portátil baseado em sensor térmico plasmônico para detecção e quantificação de ensaio de fluxo lateral PAN transparente:TiO2 e PAN-co-PMA:Membranas compostas de nanofibra de TiO2 com alta eficiência na filtragem de poluentes de material particulado