Новый интеллектуальный датчик комбинационного рассеяния света с улучшенными характеристиками на поверхности на основе pH-чувствительных наночастиц серебра, укрытых полиакрилоил гидразином

Фон

Рамановское рассеяние с усилением поверхности (SERS) - мощный спектроскопический инструмент для идентификации структуры молекулы по колебательной информации целевых молекул [1]. Благодаря удобству и сверхчувствительности анализа, SERS был признан идеальным подходом к обнаружению биологических молекул, включая ДНК, РНК и раковые клетки [2]. Принято считать, что метод SERS можно проиллюстрировать с помощью усиленного электромагнитного (ЭМ) [3]. Среди влияний ЭМ ключевую и доминирующую роль играет локализованный поверхностный плазмонный резонанс (LSPR) [4]. Когда целевые молекулы находятся в зазорах между соседними металлическими наночастицами (так называемые «горячие точки»), под воздействием падающего света металлическая наночастица генерирует LSPR, и ее поверхностное электромагнитное поле увеличивается, что приводит к усилению сигнала SERS [5 , 6,7]. Огромное улучшение обеспечивает высокую чувствительность SERS, что означает, что характерный отпечаток целевых молекул может быть получен даже при низких концентрациях [8,9,10].

На сегодняшний день значительные усилия были направлены на повышение чувствительности SERS для разработки методики анализа SERS. Успешные стратегии для сверхчувствительных SERS были реализованы на подложках из металлических наночастиц различной формы и размеров [11]. Однако, насколько нам известно, нет соответствующих отчетов об управляемом обнаружении SERS [12,13,14,15]. Следовательно, разработка настраиваемых SERS станет одной из самых серьезных проблем, связанных с высокочувствительными SERS и биосенсорами. Полиакрилоилгидразид (ПАУ) - это чувствительный к pH полимер, который применяется в различных областях биомедицины [16]. Из-за большого количества гидразидных функциональных групп на ПАУ, ПАУ может служить не только блокирующим реагентом, но также и восстановителем предшественников ионов металлов для легкого получения наночастиц (НЧ) Ag [17]. Набухание-сжатие реагирующих ПАУ может контролировать расстояние между НЧ Ag и целевыми молекулами под воздействием внешних pH-стимулов, что приводит к настраиваемому LSPR и дальнейшему контролю SERS.

В этой работе, комбинируя pH-чувствительный полимер ПАУ и НЧ Ag, мы успешно получили НЧ Ag @ PAH без других реагентов. Родамин 6G (R6G) в качестве молекулы-мишени, НЧ Ag @ PAH впервые были использованы для детекции SERS. Из-за того, что полимер ПАУ реагирует на поверхность НЧ Ag, контролируемый эффект SERS НЧ R6G / Ag @ PAH может быть реализован путем регулирования значения pH. Кроме того, НЧ Ag @ PAH обладают высокой чувствительностью и воспроизводимостью, что позволяет исследовать их на предмет биологических опасностей или анализа химических реагентов в полевых условиях.

Методы

Иллюстрация процесса получения НЧ Ag @ PAH показана на рис. 1. Вкратце, 250 мкл AgNO ₃ водный раствор (0,2 моль / л) был добавлен к 25 мл ПАУ (ESI † для деталей) водному раствору (2% w / v ). Смесь перемешивали в мягких условиях в течение 30 мин при 30 ° C. Полученный красновато-коричневый раствор очищали диализом против деионизированной воды в течение 24 ч, собирали центрифугированием и диспергировали в деионизированной воде. Затем различные значения pH растворов НЧ Ag @ PAH были скорректированы с помощью 0,1 моль / л раствора HCl или 0,1 моль / л раствора NaOH.

Схематическое изображение приготовленного процесса НЧ Ag @ PAH

Результаты и обсуждение

Полимер ПАУ содержал гидразидные группы в каждом повторяющемся звене, что служило эффективным восстановителем для получения металлических НЧ [18]. Ag ⁺ электрофильное замещение, азот на концах гидразидных групп, образует НЧ -CO-NH-NH- и Ag, в процессе получения НЧ Ag @ PAH. С помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения мы обнаружили, что НЧ Ag были полностью инкапсулированы полимером ПАУ с полной структурой ядро-оболочка. Мы также оценили, что средний размер наночастиц Ag составлял около 90 нм на рис. 2а. Гидродинамический диаметр наночастиц Ag @ PAH составлял 192,6 нм при pH =9 и уменьшался до 103,3 нм при значении pH 4 на рис. 2b. Кроме того, мы дополнительно рассчитали толщину оболочки ПАУ путем вычитания диаметра НЧ Ag из общего количества НЧ Ag @ PAH, который составил 102,6 нм при pH =9 и 13,3 нм при pH =4. Причина должна быть отнесена к набуханию и усадка ПАУ. Набухание и сжатие ПАУ объясняется синергическим эффектом следующих факторов, изменения протонирования-депротонирования, отталкивания заряда и способности полимера ПАУ образовывать водородные связи. Кроме того, НЧ Ag @ PAH показали аналогичный пик поглощения (около 423 нм) в УФ-видимых спектрах, и только интенсивность поглощения снизилась в диапазоне pH от 4 до 9 на рис. 2c. Это указывает на то, что увеличение толщины слоя полимерной оболочки будет препятствовать распространению локализованного поверхностного плазмонного резонанса без изменения оптических свойств НЧ Ag.

а Изображения HRTEM и гранулометрический состав НЧ Ag @ PAH. б Зависимость гидродинамического диаметра НЧ Ag @ PAH от pH. c Зависимость УФ-видимых спектров поглощения НЧ Ag @ PAH от pH

Эффективность SERS для НЧ Ag @ PAH оценивалась с использованием R6G в качестве модельного целевого аналита. Чтобы понять происхождение наночастиц Ag @ PAH, усиливающих рамановские сигналы R6G, были проведены сравнительные эксперименты, чтобы различить влияние полимерного слоя PAH. Мы сравнили комбинационные сигналы чистого раствора R6G, чистого раствора ПАУ, индивидуальных НЧ Ag и НЧ Ag @ PAH, все из которых имели одинаковую концентрацию на рис. 3а. Хорошо известно, что сигнал чистого раствора R6G (10 ⁻⁶ М) довольно слабый. После добавления НЧ Ag или Ag @ PAH в качестве субстратов основные характеристики достигают пиков при 1311, 1363, 1509 и 1651 см ^-1 , которые идеально соответствовали рамам-спектрам R6G, были явно усилены. Это демонстрирует, что замечательные сигналы SERS от молекул R6G присутствуют на поверхности НЧ Ag и НЧ Ag @ PAH. Напротив, в отсутствие наночастиц Ag наблюдались незначительные сигналы SERS от отдельного полимера ПАУ, что позволяет предположить, что присутствие полимера ПАУ не влияло на эффект SERS для молекул R6G.

а Схематическое изображение процесса изготовления SERS R6G на подложках Ag @ PAH NPs. б Схематическое изображение настраиваемого механизма SERS R6G с НЧ Ag @ PAH при различных значениях pH

Увеличение SERS металлической ячейки / полимерной оболочки было очень чувствительно к толщине полимерной оболочки, что было доказано как теоретическими, так и экспериментальными исследованиями. Мы исследовали влияние между различными значениями pH и сигналами, усиленными SERS, как показано на рис. 4a. По сравнению с исходным сигналом R6G, сигналы SERS были усилены в присутствии НЧ Ag @ PAH при различных условиях pH. Кроме того, относительная интенсивность SERS спектров падала с увеличением значения pH. Это объясняется тем, что эффект SERS НЧ Ag @ PAH был чувствителен к толщине оболочки PAH. Слой оболочки ПАУ сжимался при низком значении pH, что приводило к большей напряженности электромагнитного поля, чем при высоком значении pH при той же концентрации НЧ Ag @ PAH, как показано на рис. 3b. Следовательно, НЧ Ag @ PAH при низком pH индуцировали чрезвычайно усиленные сигналы комбинационного рассеяния, что обеспечивало возможность настройки НЧ Ag @ PAH в качестве субстратов SERS. Это явление было количественно определено путем расчета факторов рамановского усиления (EF) для 1509 см ⁻¹ пик для НЧ Ag @ PAH (уравнение S1, ESI †). КВ НЧ Ag @ PAH при различных значениях pH были оценены как 0,8 × 10 ⁶ . , 1,1 × 10 ⁶ , 1,5 × 10 ⁶ , 2,2 × 10 ⁶ , 3,3 × 10 ⁶ и 4,3 × 10 ⁶ соответственно на рис. 4б (подробности в ESI †). КВ НЧ Ag @ PAH при различных значениях pH были высокими, до 10 ⁶ . которые показали, что Ag @ PAH NP можно использовать в качестве эффективного и интеллектуального субстрата SERS при обнаружении следов.

а Спектры SERS адсорбированного R6G при различных значениях pH. б КВ R6G на НЧ Ag @ PAH в зависимости от значений pH при 1509 см ^-1 . c Спектры ГКР R6G с различной концентрацией, адсорбированного на НЧ Ag @ PAH. г Соотношение интенсивностей пиков при 1509 см ⁻¹ и концентрации R6G ( вставка представляет собой линейную зависимость между логарифмической интенсивностью и концентрацией R6G.)

Кроме того, НЧ Ag @ PAH при низком значении pH индуцировали чрезвычайно усиленные сигналы комбинационного рассеяния, что обеспечивало сверхчувствительность НЧ Ag @ PAH в качестве субстратов SERS. Таким образом, серия SERS-спектров R6G при различных концентрациях (10 ⁻⁷ –10 ⁻¹² M) были дополнительно измерены при pH =4 с добавлением НЧ Ag @ PAH в той же концентрации. Сравнивая сигналы этих кривых, интенсивности SERS были уменьшены путем разбавления концентраций целевой молекулы на рис. 4c. Характерные полосы R6G четко идентифицируются даже при такой низкой концентрации, как 10 ⁻¹² . M, демонстрирующий, что НЧ Ag @ PAH обладают высокой детектируемой чувствительностью к R6G. Кроме того, обнаружена линейная зависимость между логарифмическими концентрациями R6G и интенсивностью пика отпечатка пальца (1509 см ^-1 ) на рис. 4г. Когда концентрация R6G в диапазоне от 10 ^-7 до 10 ⁻¹² M уравнение линейной регрессии было y =5,9838 + 0,3228 log (x), а коэффициент корреляции составил 0,9971 ( n =6). Очевидно, что в области низких концентраций интенсивность SERS снижалась с уменьшением исследуемой концентрации. Эти результаты подтвердили, что НЧ Ag @ PAH станут многообещающим кандидатом для интеллектуального сверхследного обнаружения биологических опасностей или химических реагентов.

Выводы

Таким образом, мы впервые использовали чувствительные к pH НЧ Ag @ PAH в качестве желаемых субстратов для приложений SERS. Введение pH-чувствительного полимера PAH в качестве слоя оболочки может придать Ag NP управляемый локализованный поверхностный плазмонный резонанс путем регулирования толщины оболочки под воздействием pH-стимулов, что приводит к настраиваемым эффектам SERS. Результаты показали, что НЧ Ag @ PAH обладают превосходными контролируемыми pH-чувствительными и сверхчувствительными характеристиками SERS, предел обнаружения R6G снижен до 10 ⁻¹² НЧ M. Ag @ PAH перспективны для интеллектуального применения SERS для сверхследного обнаружения биологических опасностей или химических реагентов.

Связанное содержимое

Вспомогательная информация. Материалы, инструментарий, подготовка методом отсасывания ПАУ и ФВ. Рисунок S1. ¹ Спектр ЯМР 1Н ФМА в CDCl ₃ и ПАУ в D ₂ O (дополнительный файл 1).

Сокращения

EFs:

Факторы улучшения

EM:

Усиленный электромагнитный

LSPR:

Локализованный поверхностный плазмонный резонанс

НП:

Наночастицы

PAH:

Полиакрилоилгидразид

SERS:

Рамановское рассеяние света с усилением поверхности