Магнитная сборка монодисперсных микросфер благородных металлов для воспроизводимых, рециклируемых SERS-подложек

Аннотация

Фабрикация однородных пленочных массивов посредством сборки коллоидных строительных блоков представляет практический интерес для интеграции индивидуальных и коллективных функций. В данной работе предложен магнитный подход к организации монодисперсных микросфер благородных металлов в однородную пленочную структуру для применения в поверхностно-усиленном Рамановском рассеянии (SERS), что позволило объединить высокую чувствительность одиночных микросфер и воспроизводимость их собранных массивов. В качестве строительных блоков были успешно синтезированы монодисперсные многофункциональные коллоидные микросферы Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂@Ag (FOSTA) с использованием собственной ультразвуковой реакционной системы. При SERS-анализе эти микросферы сначала связывают аналит (родамин 6G) из раствора, а затем под действием внешнего магнитного поля собираются в однородную пленку, демонстрирующую высокую чувствительность и хорошую воспроизводимость. Кроме того, благодаря интерслою TiO₂ в составных микросферах FOSTA, строительные блоки могут быть рециклированы и самоочищены фотокаталитическим деградацией адсорбированного аналита для повторного SERS-применения.

Введение

Благодаря уникальным преимуществам — сочетанию спектрально-индивидуальных «отпечатков пальцев», высокой чувствительности и неразрушающего сбора данных — спектроскопия поверхностно-усиленного Рамановского рассеяния (SERS) интенсивно изучается как мощный ультрачувствительный аналитический метод с широкими перспективами в биохимии, химическом синтезе, безопасности пищевых продуктов, экологическом мониторинге и других областях [1–3]. С момента открытия того, что шероховатая серебряная поверхность значительно усиливает Рамановское рассеяние адсорбированных молекул, SERS-подложки остаются в фокусе исследований из-за их решающего влияния на Рамановский сигнал [4, 5]. Позже было установлено, что зазмы или стыки в агрегатах, названные «горячими точками», дают главный вклад в усиление сигнала [6], что стимулировало разработку множества наноструктурированных материалов на основе благородных металлов с контролируемыми «горячими точками» [7].

На сегодняшний день спроектированы различные материалы, состоящие из SERS-активных наночастиц и наноструктурированных носителей, для повышения коэффициента усиления [8, 9]. Обычно SERS-подложки делят на две основные категории: структурированные пленки и коллоидные частицы. Структурированные пленки часто изготавливают сложными методами — электронно-лучевой литографией, ААО-шаблонами, коллоидными массивами (например, полистирол) [10–14]. Их поверхность бывает очень однородной, что благоприятствует воспроизводимости сигналов. Однако процесс трудоёмок, а создание наноразмерных зазмов менее 5 нм — крайне сложной задачей [15]. Поэтому усилие на структурированных поверхностях обычно значительно ниже, чем у иерархических частиц или микросфер, полученных мокрыми химическими методами, где плотные нанозазмы покрывают всю иерархическую структуру [16–18]. К сожалению, хотя иерархические частицы благородных металлов показывают отличную чувствительность, их воспроизводимость невысока из-за беспорядочной агрегации [19].

Для устранения неравномерного распределения «горячих точек» применяют стратегии самоорганизации, позволяющие упорядочить агрегацию и получить относительно равномерное распределение «горячих точек» между наностроительными блоками [20, 21]. Разработаны различные методы, основанные на разных силах: поверхностном натяжении, ковалентных взаимодействиях, силах Ван-дер-Ваальса и электростатическом притяжении [22–29]. Например, Bai и соавт. изготовили крупноразмерные массивы вертикально ориентированных золотых наностержней контролируемой осаждением при испарении [23]. Kim и соавт. предложили простой метод создания ультраплотных массивов серебряных нанокластеров на основе мицелл PS-b-P4VP с высокой чувствительностью и воспроизводимостью [28]. Эти работы демонстрируют высокую воспроизводимость SERS-сигналов, однако скорость связывания аналита ниже по сравнению с суспензионным подходом.

Магнитные микросферы благородных металлов эффективно захватывают аналит в растворе магнитной сепарацией и демонстрируют выдающуюся SERS-производительность после иммобилизации на стекле [30–32]. Также фотокаталитические материалы внедряли для создания самоочищающихся SERS-подложек, что делает их рециклируемыми [33, 34]. К сожалению, хотя такие многофункциональные магнитные композитные микросферы связывают аналит и быстро формируют пленки под внешним магнитным полем, получаемые пленки часто бывают неупорядоченными, что приводит к неравномерному распределению «горячих точек» и низкой воспроизводимости сигналов. Таким образом, все эти магнитные микросферы в SERS-приложениях ограничивались ролью инструмента магнитной сепарации. Хотя магнитная сборка привлекательна своей простотой управления внешним магнитом, она требует высокой монодисперсности строительных блоков, особенно для трёхмерной сборки [35]. До настоящего времени не сообщалось о использовании магнитной сборки для создания воспроизводимых и рециклируемых SERS-подложек.

В данной работе успешно синтезированы монодисперсные многофункциональные композитные микросферы Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂@Ag (FOSTA) в собственной ультразвуковой реакционной системе, которые являются подходящими строительными блоками для магнитной сборки. Как показано на схеме 1, эти микросферы эффективно захватывают аналит (R6G) из раствора дисперсией и магнитной сепарацией для SERS-анализа. Затем под действием внешнего магнитного поля они собираются в однородную пленку на стеклянном субстрате, что обеспечивает высокую чувствительность и воспроизводимость. Кроме того, использованные микросферы FOSTA могут быть рециклированы фотокаталитическим деградацией адсорбированного аналита под УФ-облучением.

Экспериментальная часть

Синтез микросфер Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂

Монодисперсные микросферы Fe₃O₄@SiO₂ синтезировали по нашей предыдущей методике [36]. Покрытие оболочкой TiO₂ проводили в ультразвуковой ванне для предотвращения агрегации. В типичном синтезе 20 мг Fe₃O₄@SiO₂ диспергировали в смеси гидроксипропилцеллюлозы (0,1 г), этанола (45 мл) и деионизированной воды (0,1 мл). Через 30 мин 1 мл тетрабутоксититана в этаноле (5 мл) полностью вводили в смесь перистальтическим насосом в течение 15 мин. Затем воду в ультразвуковой ванне постепенно нагревали до 85 °C и держали при рефлюксе 100 мин. Продукт отделяли внешним магнитом, многократно промывали этанолом, передиспергировали в 75 мл деионизированной воды с поливинилпирролидоном (PVP, 1,0 г) под ультразвуком 30 мин и переносили в тефлоновый автоклав для превращения аморфной оболочки TiO₂ в анатазную структуру при 180 °C.

Синтез микросфер FOSTA

Покрытие серебряной оболочкой также проводили в ультразвуковой ванне. Полученные микросферы Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂ (около 25 мг) диспергировали в водно-аммиачно-этаноловом растворе (2 мл / 0,2 мл / 13 мл) с AgNO₃ (0,1 г) и PVP (1 г), затем всю смесь обрабатывали ультразвуком 30 мин при 40 °C. Температуру повышали до 85 °C. Флакон извлекали из ультразвуковой ванны через определённое время, продукт мгновенно отделяли магнитом и многократно промывали этанолом. Финальный продукт хранили в этаноле для дальнейшей характеристики и использования.

Характеризация

Продукты анализировали рентгеновской дифракцией (XRD) в диапазоне 2θ от 10° до 80° с Cu Kα-излучением (Philips X’pert Diffractometer), сканирующей электронной микроскопией (SEM, Hitachi S-4800) и проходной электронной микроскопией (TEM, JEOL-2010). Магнитные свойства измеряли сверхпроводящим квантовым интерферометром (SQUID, Quantum Design, MPMS XL).

SERS-измерения

В качестве Рамановского зонда использовали R6G для проверки воспроизводимости подложки. Подготавливали растворы R6G разной концентрации (20 мл), добавляли запасённые в этаноле микросферы FOSTA и выдерживали на вибрационном столе 2 ч. Затем продукт извлекали магнитом, промывали этанолом. Остаточный раствор капали на очищенный кремниевый подложку с круговым магнитом снизу, накрывали Петриевой чашкой и оставляли до полного испарения этанола на виброизолированной платформе. После медленного высыхания на воздухе подложки измеряли на Рамановском спектрометре (LABRAM-HR) с лазером длины волны 633 нм. Диаметр лазерного пятна составлял около 3 мкм, время накопления — 3 с на спектр.

Фотокаталитические и рециклинговые тесты

Фотокаталитическую активность микросфер FOSTA проверяли на модели R6G. Образцы (40 мг) диспергировали в растворе R6G (40 мл, 10^-5 М) и выдерживали в темноте 30 мин для теста адсорбции. Затем раствор делили на восемь равных аликвот и помещали в домашнюю фотокаталитическую установку с 300-Вт ртутной лампой. Через равные промежутки времени забирали по одной аликвоте (5,0 мл), центрифугировали для удаления фотокатализатора и анализировали надёжку спектрофотометром (Shanghai Instrument Analysis Instrument Co., Ltd.) по абсорбции при 525 нм. Рециклинговые тесты проводили по той же процедуре, но время УФ-облучения устанавливали 100 мин, а перед SERS-тестом образец несколько раз промывали деионизированной водой для удаления остаточных ионов.

Результаты и обсуждение

Согласно нашему проектированию, монодисперсные микросферы Fe₃O₄ являются критическим фактором для магнитной сборки. Их синтезировали гидротермальным методом по нашему предыдущему отчёту [36]. Как видно на рис. 1a, e, j, получены монодисперсные микросферы Fe₃O₄ диаметром 200 нм, хорошо диспергированные без явной агрегации. Для улучшения дисперсности и совместимости при наращивании внешних оболочек на микросферы Fe₃O₄ наносили кремнезёмный слой методом Стёбера. На рис. 1b видно, что полученные композитные микросферы Fe₃O₄@SiO₂ обладают высокой формо- и размерной монодисперсностью, что проявляется в их склонности образовывать гексагонально упакованные суперструктуры при подготовке SEM-образцов (рис. 1b, f). Хотя такие микросферы — хорошая магнитная платформа для дальнейшего наращивания оболочек, для гетерогенного осаждения TiO₂ и Ag требуется специальная реакционная система, избегающая агрегации. В нашем эксперименте механический мешалка и рефлюктор были интегрированы в ультразвуковую ванну. Микросферы Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂, синтезированные без мешалки и ультразвука, показывали агрегацию или шероховатую поверхность (доп. файл 1: рис. S1, S2) из-за снижения отталкивающих сил или неоднородности реакционной среды [37]. В домашней системе с ультразвуком и мешалкой удалось получить хорошо диспергируемые микросферы Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂ (рис. 1c), оболочка которых состояла из крошечных наночастиц TiO₂ (рис. 1g, k). После гидротермического превращения аморфного TiO₂ в анатаз их дальше покрывали серебром in-situ методом, где ионы Ag⁺ медленно восстанавливались PVP. Полученные композитные микросферы FOSTA сохраняли хорошую дисперсность (рис. 1d), а на оболочке TiO₂ плотно осадились наночастицы Ag (рис. 1h, i). Таким образом, многофункциональные микросферы FOSTA синтезированы многоступенчатым наращиванием оболочек в домашней установке. Механическая мешалка с рефлюктором обеспечивали однородность реакции, а ультразвук гарантировал дисперсность магнитного ядра при покрытии. Итогом стало получение монодисперсных многофункциональных микросфер FOSTA, пригодных для магнитной сборки.

Все промежуточные продукты на каждом этапе покрытия характеризовали рентгеновской порошковой дифракцией (XRD). На рис. 2a характерная XRD Fe₃O₄ показывает два пика при 35,3° и 62,4° (чёрные точки), соответствующие плоскостям (311) и (440) кубической фазы Fe₃O₄ (JCPDS № 75-0449). После покрытия аморфным SiO₂ наблюдается широкая полоса с максимумом при 23° (рис. 2b) [38]. При наращивании слоя TiO₂ и гидротермической обработке XRD Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂ демонстрирует дополнительные пики при 25,3°, 37,9° и 48,0° (красные треугольники) на рис. 2c, относящиеся к отражениям от плоскостей (101), (004) и (200) анатазной фазы (JCPDS № 75-2545). После осаждения плотных наночастиц Ag на поверхность микросфер Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂ пики предыдущих материалов всё ещё видны, но слабо, из-за сильных пиков при 38,1° и 44,6° (синие звёзды) на рис. 2d, индексируемых как (111) и (200) кубической фазы Ag (JCPDS № 4-783). XRD-паттерны на рис. 2 подтверждают последовательное наращивание трёх различных слоев — спинельного Fe₃O₄, аморфного SiO₂, анатазного TiO₂ и кубических наночастиц Ag — в композитных микросферах FOSTA, что согласуется с заданным маршрутом.

Магнитные свойства микросфер Fe₃O₄ и FOSTA исследованы (рис. 3). Нулевая коэрцитивная сила и обратимая гистерезисная петля (рис. 3a) указывают на суперпарамагнитную природу микросфер Fe₃O₄. Насыщенная намагниченность Fe₃O₄ при комнатной температуре составляет 73,3 эму/г, но намагниченность микросфер FOSTA, унаследованная от магнитного ядра, заметно снижается из-за немагнитных оболочек SiO₂, TiO₂ и Ag. Несмотря на большое падение насыщенной намагниченности (2,62 эму/г), микросферы FOSTA всё ещё могут быть медленно упакованы из суспензии магнитной сепарацией.

В микросферах FOSTA структура Ag-оболочки важна, так как она определяет SERS-свойства и влияет на фотокаталитические характеристики, поэтому контролируемый рост Ag-оболочки необходим для оптимизации общей производительности. Здесь PVP выступал не только поверхностно-активным веществом, но и мягким восстановителем, позволяя легко управлять ростом наночастиц Ag временем реакции после появления ядер Ag на микросферах Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂. Исследовали четыре типичных продукта на разных интервалах времени — образцы I–IV (рис. 4). На рис. 4a видно: при 15 мин появляются крошечные наночастицы Ag; к 20 мин они растут, но не контактируют друг с другом; к 25 мин большая часть поверхности покрыта; наконец, при 30 мин поверхность полностью покрыта крупными наночастицами Ag, сливающимися в сплошную оболочку.

Образцы I–IV тестировали как SERS-подложки с зондом R6G (рис. 4b). Все пики в диапазоне 500–1750 см^-1 принадлежат R6G: пик при 773 см^-1 — деформация выхлопного изгиба водородов ксантенового скелета; пики при 1187, 1311, 1363, 1509 и 1651 см^-1 — вплоскостной изгиб C–H, растяжение C–O–C и растяжение C–C ароматического кольца [39]. Для сравнения выбрали самый сильный пик при 1363 см^-1. Образец I даёт очень слабый SERS-сигнал без чётких пиков — разделенные наночастицы Ag слишком малы. Образец II показывает более сильный сигнал за счёт роста локального электромагнитного усиления с увеличением размера частиц [40, 41]. Образец III демонстрирует максимальное усиление: размер разделенных наночастиц Ag достигает ~50 нм, что даёт наибольшее усиление [40]; кроме того, частицы сближаются, создавая множество зазмов — «горячих точек» [8]. Дальнейший рост приводит к слиянию наночастиц в образце IV, зазмы исчезают, и SERS-активность падает. Таким образом, образец III обладает наивысшей SERS-производительностью.

Фотокаталитическую активность образцов I–IV изучали на R6G (рис. 4c). При УФ-облучении R6G полностью деградирует на образцах I–III. На вставке рис. 4c показан механизм: TiO₂ ядро в TiO₂–Ag композитах на магнитных микросферах возбуждается УФ-светом, электроны переходят из зоны проводимости TiO₂ в зону проводимости Ag, генерируя высокоактивные окислительные виды (•O₂^-, •OH), которые деградируют R6G [42]. Однако с ростом содержания Ag в микросферах FOSTA деградационная способность образцов I–IV снижается. Известно, что наночастицы благородных металлов на TiO₂ с оптимальным размером и плотностью необходимы для отличной каталитической активности. Избыток Ag вреден для фотодеградации, так как Ag-частицы могут выступать центрами рекомбинации. В наших экспериментах полное время деградации увеличивалось с ростом содержания Ag, достигая почти 3 ч для образца III. Хотя образец III показывает более слабую деградационную эффективность, адсорбированные молекулы R6G всё ещё полностью деградируют, удовлетворяя требованию самоочистки. Поэтому образец III с наи сильнейшим Рамановским усилением является оптимальным строительным блоком для собираемой SERS-подложки с точки зрения комплексных характеристик.

Магнитная сборка описывается как мощный метод, поскольку магнитная упаковочная сила, вызванная градиентом поля, индуцирует локальную концентрацию частиц и инициирует кристаллизацию [43]. Под действием внешнего магнитного поля монодисперсные микросферы FOSTA (образец III, далее так же) быстро и эффективно собираются в упорядоченные структуры благодаря своей суперпарамагнитности и монодисперсности. На рис. 5a видно, что они успешно формируют крупноразмерную однородную пленку под внешним магнитом («магнитно-собранная пленка»), а на увеличенном участке (рис. 5b) наблюдается гексагональная упаковка. Для сравнения, пленка из тех же микросфер без внешнего магнитного поля («самособранная пленка») получается шероховатой и неупорядоченной (рис. 5c), что объясняется случайной агрегацией при испарении растворителя (рис. 5d). Магнитно-собранная пленка гладче самособранной. Эти результаты показывают, что магнитная сборка даёт более однородную пленку — и по упорядоченности, и по гладкости. Воспроизводимость SERS-сигналов с магнитно- и самособранных пленок исследовали, измеряя 20 точек на подложке (рис. 5e, f). Концентрация R6G — 10^-8 М, интенсивность Рамановского пика (1363 см^-1) записана на рис. 5g. Среднее относительное стандартное отклонение (RSD) для магнитно-собранной пленки составило ~0,05, что намного ниже, чем для самособранной (~0,197). Также интенсивность пиков на магнитно-собранной пленке в среднем немного выше, что можно списать на вторичные «горячие точки» между частицами, раскрывающие эффект усиления массивной структуры [44]. Экспериментальные результаты подтверждают, что магнитная сборка наделяет микросферы FOSTA преимуществами и в чувствительности, и в воспроизводимости. Концентрационно-зависимые SERS-спектры R6G изучали для определения детекционного предела. Возможности магнитно-собранной пленки оценивали растворами R6G от 10^-6 до 10^-12 М. На рис. 5h видно, что микросферы FOSTA дают явные усиленные сигналы при концентрациях от 10^-6 до 10^-11 М, и все пики усиления чётко видны даже при 10^-11 М (вставка на рис. 5c). Логарифмическая интенсивность пика 1363 см^-1 против логарифмической концентрации R6G (доп. файл 1: рис. S3) даёт линейный диапазон от 10^-6 до 10^-11 М с пределом детектирования (LOD) 10 мкг/л, демонстрируя высокую чувствительность разработанной SERS-системы [45, 46].

В нашем эксперименте SERS-технологию и фотокаталитические свойства интегрировали, комбинируя различные функциональные слои — оболочки Ag и TiO₂. Их рециклируемость изучали повторными SERS- и фотодеградационными тестами (рис. 6). Микросферы FOSTA сначала погружали в раствор с аналитом R6G, затем тестировали SERS, после чего диспергировали в деионизированной воде под УФ-светом около 100 мин. Затем образец несколько раз промывали деионизированной водой для удаления остаточных ионов и молекул. Наблюдалось исчезновение основных пиков, и Рамановские спектры подложки становились похожи на спектры новой. Самоочистка оказывается очень простой, так как количество адсорбированного аналита очень мало. После очистки подложку можно использовать многократно. SERS-сигналы практически не снижаются после трёх циклов по пикам R6G, и после каждого самоочищения SERS-сигналы не детектируются, что подтверждает возможность повторного использования микросфер FOSTA. Кроме того, после трёх полных циклов морфология микросфер FOSTA не претерпела видимых изменений (вставки на рис. 6), что свидетельствует о их физической стабильности.

Заключение

Для создания высоковоспроизводимых и рециклируемых SERS-подложек разработаны многофункциональные микросферы в собственной ультразвуковой реакционной системе как строительные блоки. Под действием внешнего магнитного поля полученные композитные микросферы FOSTA собираются в гладкую массивную структуру, демонстрирующую чувствительную и воспроизводимую SERS-производительность. Благодаря оболочке TiO₂ использованные микросферы FOSTA могут быть дополнительно рециклированы через процедуру самоочистки. Интеграция SERS- и фотокаталитических функций на магнитных микросферах делает маршрут магнитной сборки перспективной техникой для воспроизводимых и рециклируемых SERS-подложек.

Доступность данных и материалов

За запросами данных обращайтесь к автору.