Масштабируемые, структурируемые массивы нано-точек на ITO через электролиз для высокопроизводительного SERS

Аннотация

Фабрикация больших площадей устройств с структурируемыми наноструктурами важна для практических применений в оптических или электрических устройствах. В данной работе описывается простой и экологичный метод приготовления массивов нано-точек (НТ) большой площади через электролитическую реакцию металлической оксидной пленки. НТ с различными размерами и морфологией могут быть получены путем регулировки приложенного напряжения, времени электролиза и толщины пленки индия-оловянного оксида (ITO). Высокоплотные НТ размером 50–60 нм могут быть получены электролизом 25-нм ITO пленки при 150 В в течение 1,5 мин в среде капли воды, которые были применены для поверхностно-усиленного Рамановского рассеяния (SERS) после осаждения тонкого слоя серебра. SERS подложка с оптимизированной НТ структурой демонстрирует чувствительное обнаружение رودамина 6G (R6G) с пределом обнаружения до 5 × 10^-12 М. Коэффициенты усиления (EF) 1,12 × 10⁶ и 6,79 × 10⁵ достигнуты для характеристики 4-метилбензентиола (4-MBT) и R6G соответственно. С дополнительным фоторезистным шагом можно создать множественные области массивов НТ на одной подложке, позволяя одновременное обнаружение различных образцов, содержащих разные молекулы, в одном эксперименте. Такой метод быстр, прост, структурируем и экологичен, подходящий для оперативного быстрого и синхронного определения различных молекул для применений в точечной диагностике, экологическом мониторинге и авиационной безопасности.

Введение

Поверхностно-усиленное Рамановское рассеяние (SERS) наблюдалось несколько десятилетий назад от шероховатой поверхности серебряного электрода [1]. Оно широко исследовалось не только для понимания механизма SERS, но и для достижения практических применений. Были разработаны две классические серии SERS подложек: самособирающиеся коллоидные материалы и нанофабрицированные структуры [2]. Наночастицы монетных металлов, такие как Ag, Au и Cu, синтезировались для исследований SERS [3, 4]. Наночастичные системы просты в использовании, однако страдают от отсутствия повторяемости и воспроизводимости с относительно низкой чувствительностью [5, 6]. Наноструктуры, fabriцированные электронно-лучевой литографией [7, 8], лазерной интерференционной литографией [9, 10], фокусированным ионным пучком [11], наносферной литографией [12] и наноимпринт литографией [13] показали высокую усиление сигнала с отличной повторяемостью. Однако эти нанофабрикационные технологии требуют дорогого оборудования и ограничивающей среды, такой как ультрачистая комната; процесс fabriкации также медленный.

Поскольку SERS может быть непосредственно использован для молекулярного сенсирования и идентификации в водной среде без прерывания воды, он широко применялся для сенсирования малых и биомолекул [14–16]. Для лучших и более широких применений легкая и быстрая fabriкация SERS микроаррей подложки все еще крайне требуется для одновременного обнаружения различных молекул, особенно для применений в точечной диагностике (POCT) и мониторинге безопасности. И коллоидная сборка частиц, и нанофабрикационные технологии включают различные типы химикатов или высокое энергопотребление, например, специальные химикаты или газы для синтеза частиц и сухие процессы травления соответственно, и высокое энергопотребление для сложного слой-за-слоем дизайна и осаждения. Различные экологически небезопасные загрязнения производятся в процессах, такие как органические, кислотные, щелочные, ионы тяжелых металлов и токсичные газы-травители.

ITO пленки могут быть приготовлены стандартной технологией металлического осаждения и широко используются в лабораториях и промышленности как проводящие подложки благодаря своей прозрачности и низкой стоимости. Гао и соавт. сообщали, что ITO пленка может быть преобразована в индиевые (In) точки под катодной поляризацией в растворе NaOH [17].

В данной работе мы предлагаем и верифицируем более простую, быструю и зеленую технологию создания НТ на стеклянной поверхности через прямой электролиз ITO пленки в воде в один шаг. С дополнительным фоторезистным процессом массивы НТ могут быть созданы с паттернированными множественными изолированными областями, таким образом достигая одновременного определения множественных образцов, содержащих различные типы молекул, на одной подложке. Электролиз происходит при мягких условиях при низком напряжении в водной среде/среде.

Материалы и методы

Материалы и реагенты

ITO стекло (толщиной 1,1 мм) приобреталось у Luoyang Longqian Glass Co., Ltd. (Хэнань, Китай), с толщиной ITO 25, 50, 100 и 200 нм, соответствующей квадратному сопротивлению 93,52, 31,05, 15,86 и 6,97 Ом/кв соответственно. Фторированное оловянное оксидно (FTO) стекло (толщиной 2,2 мм) приобреталось у Yaoke Photoelectric Co., Ltd. (Цзянсу, Китай), с толщиной FTO 400 нм и квадратным сопротивлением 10,85 Ом/кв. Деионизированная (DI) вода (18,25 МОм см при 25 °C) готовилась с помощью системы очистки воды Milli-Q Plus (Sichuan Wortel Water Treatment Equipment Co., Ltd., Сычуань, Китай). Этанол (Damao Chemical Reagent Factory, Тяньцзинь, Китай) и ацетон (Zhiyuan Chemical Reagent Co., Ltd., Тяньцзинь, Китай) использовались для очистки ITO стекла. Фоторезист SUN-120P приобретался у Suntific Microelectronic Materials Co., Ltd. (Шаньдун, Китай) для паттернинга ITO. 4-Метилбензентиол (4-MBT, 98%), натрий 2-меркаптоэтансульфонат (MESNa, ≥ 98,0%) и дофамин гидрохлорид все приобретались у Sigma-Aldrich (Сент-Луис, МО, США). Родамин 6G (R6G, 98,5%) приобретался у J&K Scientific (Пекин, Китай). Гидроксид калия (KOH, GR 95%) и меламин (99%) приобретались у Aladdin (Шанхай, Китай). D-(+)-Глюкоза (99%) приобреталась у Alfa Aesar (Шанхай, Китай). Метиленовый синий (AR), мочевина (AR, ≥ 99,0%) и фосфорная кислота (AR, 85%) приобретались у Damao Chemical Reagent Factory (Тяньцзинь, Китай). Формальдегидный раствор (AR, 37–40%), монофосфат натрия дигидрат (AR, ≥ 99,0%) и дифосфат натрия додекaгидрат (AR, ≥ 99,0%) приобретались у Guangzhou Chemical Reagent Factory (Гуанчжоу, Китай). Все химикаты использовались как получено.

Электролиз ITO пленки в воде

Подложка ITO стекла сначала резалась и очищалась последовательно в ацетоне, этаноле и DI воде, каждый процесс длился 15 мин, затем тщательно промывалась DI водой и сушилась азотным дутием. Рис. 1 показывает схему процесса fabriкации. Капля DI воды капалась на поверхность ITO как среда электролиза. Вольфрамовая (W) проволока вставлялась в каплю и соединялась с положительным электродом, а ITO пленка соединялась с отрицательным электродом источника питания (PSW800-1.44, GWINSTEK, Тайвань, Китай), как показано на рис. 1a. Когда напряжение применялось через воду, ITO электролизировался для формирования In НТ в области водной среды (рис. 1b).

Схема формирования In НТ из электролиза ITO пленки. a Начальное состояние капли воды на ITO пленке без приложенного напряжения. b Формирование НТ на области, покрытой водой, при приложении напряжения. c SEM изображение целой поверхности ITO пленки, соответствующее a. d SEM изображение сформированных НТ, соответствующее b (приложенное напряжение 150 В на 1,5 мин при толщине ITO пленки 25 нм). e XRD спектры ITO пленки до и после электролиза. f TEM изображение полученных In НТ

Более того, ITO пленка может быть легко паттернирована в различные области в диапазоне от микрометров до сантиметров. ITO пленка также может быть паттернирована в массив с различными изолированными областями, состоящими НТ, для достижения множественных функциональных областей на одной подложке. Это очень важно для высокопроизводительных/множественных детекционных устройств. Для формирования паттернированных массивов НТ поверхность ITO-стекла 3,5 × 3,5 см² паттернировалась в отдельные квадратные области через фоторезистный процесс. После этого паттернированная ITO подложка и плоская ITO подложка соединялись лицевыми сторонами для формирования in-parallel устройства, запечатанного 200-мкм прессовой клеевой рамой и заполненного DI водой. Плоская и паттернированная ITO соединялись с положительным и отрицательным электродами источника питания соответственно. Этот метод высоко подходил для приготовления массивов НТ большой площади и паттернированных.

SERS измерения

Настройкой приложенного напряжения, времени электролиза и толщины ITO пленки размер и плотность НТ могли варьироваться. Формированные НТ обычно были десятками до сотен нанометров, расположенные близко, формируя нанопробоины. SERS подложка затем получалась осаждением тонкого слоя Ag (PD400, Wuhan PDVACUUM Technologies Co., Ltd., Ухань, Китай).

Для характеристики чувствительности такой SERS подложки Рамановские спектры измерялись с помощью микроскопа Раман Renishaw inVia (Renishaw 42 K846, Renishaw Co., Ltd., Великобритания). SERS подложка погружалась в раствор аналита на 1 ч, затем тщательно промывалась 1 мин соответствующим растворителем и сушилась чистым азотным газом. Высушенная SERS подложка затем помещалась на стадию Рамановского микроскопа для измерений. Лазер 532 нм с мощностью ~ 0,14 мВт фокусировался на образце через × 50 объектив (числовая апертура, NA = 0,5, Leica). Диаметр лазерного пятна на подложке составлял 1,30 мкм. Эластично рассеянное лазерное возбуждение удалялось краевым фильтром. Каждый Рамановский спектр собирался с 10 с накоплением.

Более того, для оценки универсальности и быстрого обнаружения девять пробных молекул 4-MBT, R6G, дофамин гидрохлорид, мочевина, формальдегид, метиленовый синий, MESNa, d-(+)-глюкоза, меламин были выбраны для характеристики приготовленной SERS подложки для одновременного определения множественных молекул. 4-MBT и метиленовый синий растворялись в этаноле. MESNa растворялся в DI воде с pH 2,7, настроенным фосфатным буферным раствором. d-(+)-глюкозный раствор готовился с использованием фосфатного буферного раствора с pH 7,5. Все остальные образцовые растворы готовились растворением в DI воде. Для каждого измерения капля 3,0 мкл приготовленного раствора быстро капалась на подложку, и Рамановский спектр записывался немедленно. Концентрации аналитов составляли 10^-4, 5 × 10^-11, 10^-3, 0,5, 10^-3, 10^-5, 10^-2, 1 и 10^-2 М для 4-MBT этанолового раствора, R6G водного раствора, дофамина гидрохлорида раствора, мочевины водного раствора, формальдегида раствора, метиленового синего этанолового раствора, MESNa раствора, d-(+)-глюкозы раствора и меламина водного раствора соответственно. Все измерения проводились немедленно с использованием Рамановского прибора (Finder Insight, Zolix Instruments Co., Ltd., Пекин, Китай) с возбуждающим лазером 532 нм длины волны и 2,5 мВт мощности. 10-мкм лазерный луч фокусировался на образце через × 50 объектив (NA = 0,55). Каждый Рамановский спектр собирался 0,3 с/раз, с 10-кратным накоплением.

Другие характеристики

Морфологии fabriцированных подложек характеризовались с помощью полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FE-SEM) (ZEISS-Ultra 55, Carl Zeiss AG, Германия) при ускоряющем напряжении 5 кВ. Передаточная электронная микроскопия (TEM) измерения проводились с использованием микроскопии JEM-2100 (JEM-2100HR, JEOL, Япония). Наноточки (наночастицы) скрапировались и диспергировались в DI воде. Химический состав анализировался с помощью энергодисперсивного спектроскопа (EDS), оснащенного в FE-SEM, и рентгеновской дифракции (XRD) (X'Pert PRO, PANalytical, Нидерланды), оснащенной Cu Kα источником излучения, со скоростью сканирования 0,04°/с и дифракционным углом (2θ) от 20 до 65°. Абсорбционный спектр записывался в диапазоне длин волн 440–650 нм с помощью спектрометра (USB 2000+, Ocean Optics, США).

Результаты и обсуждение

Формирование нано-точек электролизом ITO пленки в водной среде

ITO пленки как прозрачные проводящие подложки широко применялись в оптоэлектронных устройствах, таких как светодиоды (LED) [18], дисплеи [19] и солнечные батареи [20]. В общем, коррозия ITO вредна для применений в электронных устройствах. Здесь, с другой стороны, мы используем коррозию ITO, индуцированную электролитической реакцией, для формирования плотно упакованных НТ и используем для SERS применения. Схематическое изображение электролиз-индуцированного формирования НТ показано на рис. 1a, b. Поверхность ITO пленки была плоской и прозрачной до электролиза (рис. 1c). В общем, ITO состоит из In₂O₃ и SnO₂ в различных пропорциях. EDS проводился для характеристики состава ITO, как показано в Дополнительном файле 1: Рисунок S1. После периода электролитической реакции поверхность ITO стала полупрозрачной и желтой после сушки. Характеризированная SEM, мы обнаружили, что плотно упакованные НТ на стеклянной поверхности сформировались на стеклянной поверхности (рис. 1d). XRD измерение на рис. 1e показывает, что три новых пика появились после электролиза, которые соответствуют (101), (002) и (110) кристаллическим плоскостям элемента In. Однако пики ITO стали ниже. TEM изображение на рис. 1f подтверждает, что сформированные НТ являются материалами In.

ITO пленка — металл-оксидный материал с морфологиями как кристаллических, так и аморфных, с типичной наноразмерной шероховатостью поверхности [21]. Сообщалось, что ITO может быть корродирован NaOH для формирования индиевых наночастиц [17]. Когда напряжение применяется через ITO пленку, электроны передаются между катодом и анодом. Следовательно, электрохимические реакции на катоде и аноде могут быть описаны уравнениями (1) и (2):

$$ \mathrm{Cathode}:{\mathrm{In}}_2{\mathrm{O}}_3+3{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+6{\mathrm{e}}^{-}\to 2\mathrm{In}+6{\mathrm{OH}}^{-} $$ (1) $$ \mathrm{Anode}:4{\mathrm{OH}}^{-}\to {\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}+4{\mathrm{e}}^{-} $$ (2)

Следовательно, процесс формирования НТ может быть проиллюстрирован на рис. 2. В начале электролитическая реакция однородна на поверхности ITO. Однако ITO пленка не идеально однородна с вариацией толщины пленки, существующей согласно нормальному процессу fabriкации ITO, особенно для аморфных ITO пленок [22]. Следовательно, с эволюцией времени более тонкая область будет потреблена быстрее для формирования дефектов согласно более высокой напряженности электрического поля и меньшей толщине. После достижения насыщенной концентрации в воде восстановленные атомы In начинают накапливаться для формирования НТ на поверхности. В процессе электролиза очевидные изменения прозрачности и цвета можно наблюдать после периода времени. Согласно эффекту интерфейсального натяжения в процессе dewetting, большое количество НТ формируется на поверхности. Такой метод, без каких-либо требований к специфической обработке и химикатам, реализуется в водной среде с приложенным напряжением и таким образом может быть рассмотрен как экологичная технология.

Схематическая иллюстрация процесса формирования In НТ из электролиза ITO пленки

Параметры электролиза: время реакции, приложенное напряжение и толщина ITO пленки

Размер и плотность НТ связаны с толщиной ITO пленки и кинетикой реакции [23]. В данной работе эффективные факторы времени реакции, приложенного напряжения и толщины ITO пленки все исследовались для выяснения процесса формирования НТ. Таким образом, экспериментальные параметры могли быть оптимизированы для приготовления SERS подложки с высокой чувствительностью. Рис. 3a показывает SEM изображения полученных НТ на стекле (25-нм ITO) при приложенном напряжении 150 В при разном времени реакции. Очевидно показывает последовательный процесс формирования от непрерывной ITO пленки (рис. 1c) к маленьким НТ, встроенным в пленку, грубым НТ, гладким НТ, стоящим и разделенным НТ, как продемонстрировано на изображениях на рис. 3a слева направо соответственно. Это постепенное изменение морфологии и размера может быть понято электролитической реакцией ITO пленки и диффузионно-контролируемым процессом формирования НТ.

Фабрикация НТ под различными экспериментальными условиями путем варьирования a времени реакции, при постоянном приложенном напряжении 150 В и толщине ITO пленки 25 нм, b приложенного напряжения, при постоянной толщине ITO пленки 25 нм и времени реакции 1,5 мин, и c толщины ITO пленки, при постоянном приложенном напряжении 150 В и времени реакции 1,5 мин

Изначально ITO пленка начинала реагировать на поверхности пленки. Типично, напряженность электрического поля через более тонкую область выше; следовательно, начальная скорость реакции выше. Следовательно, дефекты формировались на непрерывной пленке от тонких точек (областей), в которых производимые атомы In накапливались для формирования НТ. На этом этапе сформированные маленькие НТ все еще были в дефектных областях, окруженные ITO пленкой. С увеличением времени реакции большинство ITO материала восстанавливалось для формирования In НТ на поверхности. Когда время реакции достигало 0,5 мин, большое количество НТ формировалось, встроенное в ITO пленку. Когда время реакции увеличивалось до 1,5 мин, размер и плотность НТ увеличивались, и зазор между НТ уменьшался. Дальнейшее увеличение времени реакции до 3,0 и 5,0 мин, полученные НТ становились крупнее и более круглыми, и зазор среди НТ также увеличивался. Электрические измерения показывали, что области НТ не были электрически проводящими. Это означает, что изолированные НТ были получены без непрерывного соединения. Из SEM изображений на рис. 3a мы могли наблюдать, что при времени реакции 1,5 мин сформированные НТ имеют относительно равномерный размер и расположены близко. Меньший зазор обычно означает более сильное электромагнитное усиление. Таким образом, 1,5 мин выбиралось для приготовления SERS образцов для дальнейших экспериментов.

После этого мы исследовали эффект приложенного напряжения на размер и плотность сформированных НТ. ITO-стекло с 25-нм ITO было выбрано для этого эксперимента, и электролитическая реакция проводилась при разных приложенных напряжениях в течение 1,5 мин. Как показано на рис. 3b, плотность сформированных НТ увеличивалась с приложенным напряжением. При низком напряжении 50 и 100 В количество сформированных НТ было низким; и таким образом, в той же области его плотность была низкой, очевидно разделенными друг от друга. Когда приложенное напряжение увеличивалось до 150 и 200 В, больше НТ формировалось, показывая близко расположенные паттерны. Равномерный размер и высокая плотность необходимы для получения воспроизводимых Рамановских спектров с высокой чувствительностью. Таким образом, оптимальное приложенное напряжение для приготовления SERS подложки устанавливалось на 150 В.

Рис. 3c показывает SEM изображения НТ, сформированных из 25, 50, 100 и 200 нм ITO пленок электролитической реакцией при 150 В на 1,5 мин. В случае 25 нм ITO пленки наблюдалась более высокая плотность и более равномерные НТ по сравнению с другими тремя ITO пленками толщиной 50, 100 и 200 нм. Как сообщалось, шероховатость поверхности и резистивность проводящих подложек влияют на их кристалличность [22]. Типично, шероховатость поверхности увеличивается с толщиной пленки. Более равномерные НТ от более тонкой ITO пленки attribuтировались более плоским поверхностям с меньшими дефектами. Следовательно, самая тонкая ITO пленка демонстрировала наименьшую шероховатость, в результате чего самые равномерные НТ. С другой стороны, резистивность ITO пленок влияла на начальный процесс формирования In НТ. Квадратное сопротивление составляло 93,52, 31,05, 15,86 и 6,97 Ом/кв для толщины ITO пленки 25, 50, 100 и 200 нм соответственно. Это означает, что при том же приложенном напряжении низкий электрический ток получался через тонкую ITO пленку. В результате медленная и мягкая реакция достигалась на тонкой пленке. Это согласуется с экспериментальным результатом, что более равномерные и более высокая плотность НТ формировались из более тонких ITO пленок. Согласно этим результатам экспериментальные параметры для приготовления НТ для SERS применения выбирались: толщина ITO пленки 25 нм, приложенное напряжение 150 В и время электролитической реакции 1,5 мин. Более того, FTO пленка также применялась для электролиза. Как показано в Дополнительном файле 1: Рисунок S2, микро- и наночастицы формировались после электролиза. Это может указывать на то, что такая электролитическая реакция также применима для других металл-оксидных пленок при различных условиях и потенциала для других применений.

SERS характеристика

Для оценки SERS эффекта fabriцированной подложки с высокой плотностью НТ, 4-MBT выбирался как пробная молекула из-за ее малого количества хорошо охарактеризованных пиков и большого Рамановского сечения [24]. Тонкий слой Ag осаждался на полученной подложке (приготовленной под оптимизированными условиями, как упоминалось выше) с высокой плотностью НТ. SEM изображения в Дополнительном файле 1: Рисунок S3a–c показывают морфологии Ag покрытых НТ при толщине Ag слоя 30, 77 и 160 нм соответственно. Вариацией толщины Ag слоя зазо между НТ уменьшались. Наивысшая средняя Рамановская интенсивность получалась при толщине Ag 77 нм (Дополнительный файл 1: Рисунок S3d).

Рис. 4a, b показывает детальную SERS характеристику на подложке с In НТ, приготовленной под оптимизированными условиями и покрытой 77 нм осажденным Ag. Референсный образец приготовлялся прямым осаждением 77 нм Ag пленки на ITO (25 нм) стекло. Рамановский сигнал усиливался значительно на НТ SERS подложке по сравнению с референсной подложкой. Два основных характерных пика для молекул 4-MBT при 1079 и 1594 см^-1 четко наблюдались на НТ SERS подложке. Пик 1079 см^-1 представляет комбинацию фенильного дыхания кольца, C–H в-плоскости изгиба и C–S растяжения. Пик при 1594 см^-1 может быть attribuтирован фенильному растяжению (8a вибрационный режим) [25].

a Рамановские спектры 10^-4 М 4-MBT на SERS подложке с НТ, приготовленной под оптимизированными условиями. b 10 Рамановских спектров 10^-4 М 4-MBT, собранных на SERS подложке случайным движением подложки на стадии Рамановского прибора. c Рамановские спектры 5 × 10^-7 М R6G на приготовленной SERS подложке. d Рамановские спектры R6G с концентрациями 5 × 10^-12, 5 × 10^-11, 5 × 10^-10, 5 × 10^-9, 5 × 10^-8 и 5 × 10^-7 М на SERS подложках. Референсная подложка приготовлена осаждением 77 нм Ag на голой ITO (25 нм) пленке.

Для исследования относительной однородности на большой площади приготовленной НТ SERS подложки 10 измерений проводились на той же подложке случайным движением образца на стадии Рамановского прибора. Рис. 4b показывает измеренные Рамановские спектры, указывающие на относительно согласованные интенсивности сигналов для каждого характерного пика 4-MBT. Относительное стандартное отклонение (RSD) Рамановской интенсивности при 1594 см^-1 составляло около 4,1%, указывая на высокую воспроизводимость сигнала SERS подложки, приготовленной через этот предложенный процесс.

Более того, R6G также был выбран для демонстрации надежности и чувствительности SERS подложки. Рис. 4c показывает Рамановские спектры, измеренные на как-приготовленной НТ SERS подложке и референсной Ag пленке. Характерные пики R6G наблюдались при 614, 771, 1187, 1362, 1507, 1571 и 1648 см^-1. Пики при 614, 771 и 1187 см^-1 ассоциируются с C–C–C в-плоскости изгибом кольца, C–H вне-плоскости изгибом и C–O–C растяжительными вибрациями соответственно. А пики при 1362, 1507, 1571 и 1648 см^-1 ассоциируются с ароматическими C–C растяжительными вибрациями [26].

Рис. 4d демонстрирует Рамановские спектры на как-приготовленной НТ SERS подложке в водном растворе R6G с концентрациями от 5 × 10^-12 до 5 × 10^-7 М. Рамановские интенсивности R6G очевидно уменьшались с уменьшением концентрации R6G. Характерные пики R6G все еще могли быть четко идентифицированы даже при концентрации R6G как низкой как 5 × 10^-12 М, указывая на высокую чувствительность fabriцированной НТ SERS подложки. Для количественной характеристики SERS эффекта приготовленной НТ подложки мы рассчитали коэффициент усиления (EF). Рамановские спектры чистых порошков 4-MBT и R6G (Дополнительный файл 1: Рисунок S4) и детальная информация расчета EF (Дополнительный файл 1: Рисунок S5) представлены в дополнительной информации. EF для 4-MBT и R6G рассчитывались как 1,12 × 10⁶ и 6,79 × 10⁵ на их характерных Рамановских пиках 1079 и 1648 см^-1 соответственно. Более того, молекулы с меньшим Рамановским сечением MESNa [27] также использовались для SERS измерений, как показано в Дополнительном файле 1: Рисунок S6, демонстрируя надежный SERS эффект.

В общем, SERS усиление может быть внесено электромагнитным (EM) и химическим (CM) эффектами [28]. Дополнительный файл 1: Рисунок S7 показывает абсорбционный спектр НТ подложки, покрытой 77 нм Ag пленкой. Референсная подложка приготовлена осаждением 77 нм Ag на голой ITO (25 нм) пленке. НТ подложка fabriцирована под оптимизированными экспериментальными параметрами толщины ITO пленки 25 нм, приложенного напряжения 150 В и времени электролитической реакции 1,5 мин. Когда длина волны возбуждения такая же или близка к пику поверхностного плазмонного резонанса (SPR), электромагнитное плазмонное сцепление произойдет и индуцирует сильное SERS усиление [29]. SPR пик НТ SERS подложки находится при ~ 453 нм (Дополнительный файл 1: Рисунок S7), что близко к длине волны возбуждения 532 нм, использованной в нашем эксперименте; следовательно, SERS усиление в основном результатирует из электромагнитного усиления согласно «горячим точкам» от межзазоров между НТ. Для дальнейшего исследования EM усиления конечно-разностное временное моделирование (FDTD) проводилось для изучения электрического поля в межзазорах НТ. Результаты относительного общего электрического поля показаны в Дополнительном файле 1: Рисунок S8. Результаты моделирования показывают, что усиление электрического поля в основном происходит в зазорах между НТ. Максимальный фактор 3,0 представляет усиление поля |E|² 10³, соответствующее EF 10⁶, что в хорошем согласии с экспериментальными результатами (1,12 × 10⁶ при 1079 см^-1 для 4-MBT и 6,79 × 10⁵ при 1648 см^-1 для R6G).

Более того, полупроводниковые материалы (In₂O₃, SnO₂, TiO₂) сообщали об усилении SERS сигнала за счет зарядного переноса между молекулами и материалами (например, R6G и переходными металл-оксидами, 4-меркаптобензоевой (4-MBA)/4-нитробензентиол (4-NBT) и SnO₂), что связано с CM [28, 30–33]. ITO состоит из In₂O₃ и SnO₂ в различных пропорциях. После электролиза ITO в водной среде In НТ формируются из-за электрохимической реакции восстановления; и в то же время пики ITO все еще могли быть очевидно замечены, как показано на рис. 1e. Для исследования того, насколько CM усиление от зарядного переноса In₂O₃/SnO₂-к-молекуле внесло вклад в полученный SERS эффект, Рамановские спектры 10^-4 М 4-MBT и 5 × 10^-7 М R6G на ITO стекле, НТ подложке после электролиза ITO, ITO стекле, покрытом 77 нм Ag пленкой, и НТ подложке, покрытой 77 нм Ag пленкой, измерялись соответственно (Дополнительный файл 1: Рисунок S9). НТ подложка fabriцирована под оптимизированными экспериментальными параметрами толщины ITO пленки 25 нм, приложенного напряжения 150 В и времени электролитической реакции 1,5 мин. Характерные Рамановские пики 4-MBT и R6G были трудно различимы на ITO стекле, НТ подложке после электролиза ITO и ITO стекле, покрытом Ag пленкой; однако очевидные Рамановские пики 4-MBT и R6G наблюдались на НТ подложке, покрытой Ag пленкой. Таким образом, CM усиление от зарядного переноса In₂O₃/SnO₂-к-молекуле считается слабым, пренебрежимо малым по сравнению с EM усилением. Высокое усиление SERS эффекта в основном внесено электромагнитным усилением между межзазорами In НТ.

Паттернированные массивы НТ для одновременной SERS характеристики различных образцов на одной подложке

Как продемонстрировано в предыдущей сессии, этот метод мог легко создавать НТ простой и быстрой электролитической реакцией на наноразмерной ITO пленке. Более того, ITO пленка может быть паттернирована частичной защитой или сегментацией пленки, таким образом формируя массивы на одной подложке, как схематично демонстрировано на рис. 5a. Три подложки 3,5 × 3,5 см² были паттернированы в 1 × 1, 3 × 3 и 5 × 5 SERS области, как демонстрировано на рис. 5b. Поскольку площадь ITO для электролитической реакции была увеличена по сравнению с капельным электролизом, общее число зарядов увеличивалось во время электролиза, индуцируя увеличение тока и уменьшение сопротивления. Согласно пределу тока источника питания 1,512 А, максимальное выходное напряжение ~ 75 В применялось для приготовления In НТ в паттернированных in-parallel ячейках. Время электролиза исследовалось, как демонстрировано в Дополнительном файле 1: Рисунок S10. Массивы НТ с наивысшей плотностью и равномерностью получались при времени реакции 5,0 мин. Здесь оптимизированные параметры толщины ITO пленки 25 нм, приложенного напряжения 75 В и времени электролитической реакции 5,0 мин использовались для fabriкации большой площади SERS подложки с паттернированными массивами НТ. Квадратные массивы НТ 50 × 50 мкм² с расстоянием зазора около 5,0 мкм достигнуты, как показано в Дополнительном файле 1: Рисунок S11.

a Схема паттернирования ITO пленки в массив с множественными изолированными областями, содержащими НТ. b Изображения 1 × 1, 3 × 3 и 5 × 5 SERS массивов, паттернированных из трех подложек ITO-стекла 3,5 × 3,5 см²

Подложка с 3 × 3 областями, приготовленная под оптимизированными условиями, использовалась как SERS подложка для множественного обнаружения образцов. Как проиллюстрировано на рис. 6a, 9 отдельных капель (3,0 мкл каждая), содержащих 9 разных аналитических растворов, капались на паттернированные 9 областей. Выбранные 9 аналитов 4-MBT [25], R6G [26], дофамин гидрохлорид [34], мочевина [35], формальдегид [36], метиленовый синий [37], MESNa [38, 39], d-(+)-глюкоза [40] и меламин [41] размещались на подложке как отмеченные образцы 1–9 соответственно. Как видно на рис. 6b, все 9 молекул показывают очевидные характерные Рамановские пики. Это доказало концепцию использования одной подложки для одновременного обнаружения различных образцов на одной подложке.

a Схема 9 капель образцов, содержащих 9 разных пробных молекул, обнаруживаемых на одной подложке с 3 × 3 SERS массивами. b Рамановские спектры 9 пробных молекул на каждой SERS области 3 × 3 массивов

Заключение

В резюме, мы предложили и валидировали простой, быстрый и дешевый метод fabriкации НТ как SERS подложек на большой площади с паттернируемыми структурами. Формирование НТ основано на электролизе ITO пленки в водной среде. Факторы времени электролиза, приложенного напряжения и толщины ITO пленки определяли размер и плотность НТ. Хорошо распределенные НТ с размером в диапазоне 50–60 нм получены электролизом 25-нм ITO пленки при приложенном напряжении 150 В на 1,5 мин (капельный электролиз). Фабрицированная НТ подложка оценена по ее SERS эффекту после осаждения ~ 77 нм Ag, используя различные пробные молекулы. Воспроизводимые и чувствительные Рамановские спектры получены для 4-MBT и R6G с EF ~ 1,12 × 10⁶ и ~ 6,79 × 10⁵ соответственно. Более того, в сочетании с фоторезистом, подложка 3,5 × 3,5 см² могла быть паттернирована с 1, 9 или 25 SERS областями, для которых множественное обнаружение образцов могло быть достигнуто одновременно на одной подложке с лишь одной каплей каждого аналитического раствора. Это высоко требуется для быстрой квалификации специфических молекул для оперативных прикладных ситуаций, таких как POCT, экологический мониторинг и авиационная безопасность. Такая технология показывает преимущества легкой fabriкации при мягких условиях, возможности паттернирования для формирования массивов на большой площади и интегрируемости с микролидными системами для высокопроизводительных оптофлюидных применений.