Een eenvoudige laserablatie-ondersteunde methode voor de fabricage van superhydrofoob SERS-substraat op teflonfilm

Resultaten en discussie

Het proces van het experiment wordt getoond in Fig. 1. De bevochtigbaarheid van het oorspronkelijke PTFE-oppervlak werd veranderd door laserbehandeling met behulp van het CAD-ontwerp dat wordt getoond in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1, wat leidde tot een resultaat dat het hele oppervlak superhydrofoob werd, behalve deze onbehandelde gebieden, die het hydrofobe oppervlak waren (de diameter van de cirkel:0,5 mm, opening:0,8 mm). De foto van gegraveerd PTFE wordt weergegeven in aanvullend bestand 1:Afbeelding S2. Daarna werd een druppel colloïdale Ag-oplossing (5 L) op het gegraveerde PTFE gedruppeld en in de oven (70 ° C) ingedampt. Ongeveer 10 minuten later konden de Ag-nanodeeltjes worden geaggregeerd in de cirkel (hydrofoob oppervlak) vanwege de zeer afstotende eigenschap van het superhydrofobe oppervlak, en toen werd het actieve SERS-substraat verkregen. Ten eerste werden de Rhodamine6G (R6G) en methyleenblauw (MB) als de sondemoleculen gebruikt om de SERS-prestaties van het gefabriceerde SERS-substraat te onderzoeken. Eén druppel moleculaire oplossing werd op het gegraveerde PTFE gedruppeld dat de eerder afgezette Ag-nanodeeltjes bedekte. Vanwege de waterafstotendheid van de superhydrofobe structuur, zou de moleculaire druppel dikker en dikker worden tijdens het verdampingsproces, wat de moleculen effectief zou verrijken tot de hotspotgebieden bij de opening tussen nanodeeltjes. Interessant is dat de verdamping bij hoge temperatuur niet alleen de verdamping van het oplosmiddel kan versnellen om een ​​snelle analyse te verkrijgen zonder de experimentresultaten te beïnvloeden, maar ook nauwelijks een nadelig effect kan hebben op de aggregatie van opgeloste stoffen bij 70 °C.

Het schematisch diagram van experimenteel proces

Om de reden verder uit te leggen dat het gegraveerde PTFE beter is dan origineel PTFE wat betreft het vermogen om opgeloste stoffen te verrijken, worden de SEM-beelden en de verdampingsprofielen met behulp van een hogesnelheidsvideocamera van de twee typen PTFE-substraten verkregen en weergegeven in Fig. 2. Terwijl de PTFE werd gegraveerd, zou de laser het gladde oppervlak van originele PTFE vernietigen en ablateren, wat de ruwheid van het oppervlak zou kunnen veranderen en de micro-/nanostructuren op de PTFE zou laten verschijnen. In figuur 2a, voor gegraveerd PTFE, vertonen alle oppervlakken van onbehandelde cirkels een relatief glad oppervlak, maar het gegraveerde gebied is verfraaid met micro-/nanostructuren, waardoor het PTFE in superhydrofoob PTFE verandert. Ondertussen laten de contacthoekafbeeldingen zien dat de statische watercontacthoek van gegraveerd PTFE veel groter is dan de originele en dat de waarde van de hoek (gegraveerd PTFE) 151.8° is, zoals weergegeven in de onderkant van Fig. 2a, die al de waarde van de statische contacthoek vereist door de superhydrofobe structuur [15]. De hogesnelheidsvideocamera werd gebruikt om het verdampingsproces te observeren en vast te leggen dat een druppel van 5 μL Ag-colloïdeoplossing verdampte op het originele en gegraveerde PTFE bij kamertemperatuur (RT). Omdat de verdampingsprocessen lang duurden, werden de verdampingsprofielen van het begin en het einde van het verdampingsproces vastgelegd om intuïtief het proces te verklaren, weergegeven in Fig. 2b (originele PTFE) en Fig. 2c (gegraveerde PTFE). Voor het originele PTFE neemt tijdens verdamping het contactoppervlak tussen de oplossing en het substraatoppervlak nauwelijks af. Daarentegen bestaat er een relatief duidelijke afname van het contactoppervlak voor gegraveerd PTFE, zoals weergegeven in figuur 2c. De reden is dat de waterafstotendheid van de micro/nanostructuren de druppel geleidelijk in het hydrofobe cirkelgebied doet krimpen tijdens de R.T. verdamping, wat bijdraagt ​​aan de afname van het contactoppervlak. Door figuur 2b en c te vergelijken, kon direct worden waargenomen dat de Ag-nanodeeltjes op het gefabriceerde PTFE werden verzameld in een veel kleiner gebied dan het oorspronkelijke PTFE. Het is belangrijk om te benadrukken dat het speciale superhydrofobe oppervlak (de afwisselende verdeling van hydrofoob en superhydrofoob oppervlak) de oplossing niet laat vastpinnen op de micro- of nanoschaalstructuren en dat de meeste opgeloste stoffen na de verdamping in deze cirkels worden verzameld, zoals weergegeven in Extra bestand 1:Figuur S3. Anders gezegd, het speciale superhydrofobe oppervlak kan de nadelen van algemene superhydrofobe materialen vermijden dat de analyten na de verdamping in de micro/nanostructuren blijven, waardoor opgeloste stoffen verloren gaan en de SERS-signalen verzwakken.

een De SEM-afbeeldingen van het substraatoppervlak over origineel PTFE en gegraveerd PTFE en bijbehorende statische contacthoekafbeeldingen; b Verdampingsprofielen van oplossing op de originele PTFE; c Verdampingsprofielen van de oplossing op het gegraveerde PTFE

Om visueel te zien dat de Ag-nanodeeltjes dichter bij elkaar zijn verzameld op het gegraveerde PTFE in vergelijking met het originele PTFE onder verdamping bij hoge temperatuur (70 ° C), zijn er optische microscoopbeelden en SEM-afbeeldingen met verschillende veelvouden zoals getoond in Fig. 3, respectievelijk. Het SEM-beeld van bereide Ag-nanodeeltjes wordt weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4 [16]. Vanwege het koffieringeffect zou, nadat al het water volledig was verdampt, een meerderheid van de Ag-nanodeeltjes zich in de rand verzamelen en de resterende nanodeeltjes zouden in het midden worden verspreid, wat het grootste deel van het oppervlak voor het oorspronkelijke PTFE inneemt, zoals weergegeven in figuur 3a. -G. Met betrekking tot gegraveerd PTFE zouden de Ag-nanodeeltjes zich na het verdampingsproces in een omgeving met hoge temperaturen ophopen in de kleine cirkel en was er geen koffieringeffect, zoals weergegeven in Fig. 3h-k. Opgemerkt moet worden dat het uiteindelijke gebied van Ag-nanodeeltjesaggregatie op het gegraveerde PTFE bijna 25 keer kleiner is dan het oorspronkelijke PTFE door Fig. 3a en h te vergelijken. Om de verdampingstijd te verkorten, werd het monster in een oven geplaatst. Met name de verdamping bij hoge temperatuur zou nanodeeltjes compacter kunnen maken in vergelijking met de R.T. verdamping zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S5. Een mogelijke verklaring is dat snelle verdamping de Ag-nanodeeltjes sneller zou kunnen samenvoegen. De verdampingstemperatuur kan echter niet te hoog worden verhoogd omdat de structuur van analytmoleculen kan worden verslechterd bij zeer hoge verwarmingstemperaturen, wat resulteert in verminderde SERS-signalen. Door de snelle verdamping kan het veel tijd besparen om het SERS-substraat voor te bereiden. Samenvattend kan het gefabriceerde substraat de opgeloste stoffen efficiënt verrijken tot een veel kleiner gebied binnen 10 minuten voor 5 μL Ag-oplossing.

een –c De optische microscoopbeelden en d –g de SEM-beelden van Ag-nanodeeltjesaggregatie op het originele PTFE met verschillende veelvouden. u , ik De optische microscoopbeelden en j , k de SEM-afbeeldingen van Ag-nanodeeltjesaggregatie op het gegraveerde PTFE met verschillende veelvouden. De hele oranje kleine vakjes vertegenwoordigen het vergrote gebied en de witte stippellijn omcirkelt het eindgebied van de accumulatie van Ag-nanodeeltjes

Aangezien het detectievermogen van het graveren van PTFE sterk afhangt van de hydrofobiciteit van het oppervlak, de grootte van het detectiegebied en de initiële concentratie van Ag-nanodeeltjes, onderzoeken we deze parameters door het aangewezen PTFE-substraat te fabriceren. De belangrijkste Raman-piekintensiteit bij 1322 cm ⁻¹ van MB (1 × 10 ⁻⁹ M) wordt verkregen op de verschillende SERS-substraten. We onderzoeken het effect van de gegraveerde staplengte, het uitgangsvermogen, de graveersnelheid en de grootte van de diameter van de cirkel op de hydrofobiciteit van het oppervlak. Opgemerkt moet worden dat de gegraveerde staplengte, het uitgangsvermogen, de graveersnelheid en de diameter van de cirkel elkaar zouden beperken en het waarnemingsvermogen van het substraat zouden beïnvloeden. Om beter te begrijpen hoe elke factor het waarnemingsvermogen beïnvloedt, blijven de drie variabelen hetzelfde en wordt één ervan gewijzigd.

Zoals te zien is in Fig. 4a, nemen de contacthoek (rode lijn) en de Raman-intensiteit (zwarte lijn) af met de toename van de graveerstaplengte. De reden is dat hoe kleiner de lengte van de graveerstap, hoe dichter de micro-/nanostructuren. Met behulp van de dichtere micro/nanostructuren buiten de cirkels zouden de opgeloste stoffen succesvol kunnen worden verrijkt in deze kleine cirkels, en dan wordt het waarnemingsvermogen van het substraat verbeterd. Vanwege de beperking van de precisie van de lasergraveermachine, is 0,02 mm de minimale graveerstaplengte in dit werk. Zoals te zien is in figuur 4b, neemt de contacthoek toe met de toename van het uitgangsvermogen, maar de Raman-intensiteit vertoont een trend van eerst toenemen en vervolgens afnemen. Met de toename van het uitgangsvermogen werd het oorspronkelijke PTFE vernietigd en geablateerd door de sterke laser, wat leidde tot meer micro-/nanostructuren op het oppervlak van het substraat. Door de meer micro/nanostructuren wordt het oppervlak van het substraat meer hydrofoob, zoals blijkt uit de vergroting van de contacthoek. Met name de overbodige micro- of nanostructuur had een nadelig effect op de versterking van de moleculaire Raman-signalen. De reden is dat de voldoende micro/nanostructuren het substraat superhydrofoob maken, dat de analyten kan verrijken tot in de hydrofobe cirkel, maar de overtollige PTFE-fragmenten zijn gemakkelijk om de kleine hydrofobe cirkels te bedekken als de toename van het laservermogen. Vervolgens blijven de opgeloste stoffen op de micro/nanostructuren na het verdampingsproces, waardoor de opgeloste stoffen verloren gaan, wat leidt tot een verzwakking van de Raman-intensiteit. Er kan worden geconcludeerd dat het gegraveerde PTFE vervaardigd door de 20% output-laser het optimale SERS-substraat is.

een De relatie tussen de contacthoek, Raman-intensiteit en de graveersnelheid (het uitgangsvermogen:20%; de graveersnelheid:55 mm/s; de diameter van de cirkel:0,5 mm; de Ag-concentratie:1,19 × 10 ⁻¹² M). b De relatie tussen de contacthoek, Raman-intensiteit en het uitgangsvermogen (de graveerstaplengte:0,02 mm; de graveersnelheid:55 mm/s; de diameter van de cirkel:0,5 mm; de Ag-concentratie:1,19 × 10 ^{− 12} M). c De relatie tussen de contacthoek, Raman-intensiteit en de graveersnelheid (de lengte van de graveerstap:0,02 mm; het uitgangsvermogen:20%; de diameter van de cirkel:0,5 mm; de Ag-concentratie:1,19 × 10 ⁻¹² M) d De relatie tussen de contacthoek, Raman-intensiteit en de diameter van de cirkel (de graveerstaplengte:0,02 mm; het uitgangsvermogen:20%; de graveersnelheid:55 mm/s; de Ag-concentratie:1,19 × 10 ^{− 12} M)

In Fig. 4c neemt de contacthoek af en stijgt de Raman-intensiteit en neemt vervolgens af naarmate de graveersnelheid toeneemt. Vergeleken met de contacthoek in Fig. 4b en Fig. 4c, wordt geconcludeerd dat het effect van de graveersnelheid op het oppervlak van PTFE tegengesteld is aan dat van het uitgangsvermogen. De reden is dat naarmate de lasersnelheid toeneemt, de belichtingstijd van de laserpunt op het PTFE-oppervlak korter wordt, waardoor minder origineel PTFE wordt geablateerd. Daarom worden er minder micro/nanostructuren geproduceerd, wat leidt tot een afname van de contacthoek. Volgens de relatie tussen Raman-intensiteit en de graveersnelheid, heeft het SERS-substraat geproduceerd door de lasersnelheid van 55 mm/s het beste detectievermogen. Dus werd 55 mm/s gekozen als de gegraveerde snelheid in het experiment. Zoals te zien is in figuur 4d, zouden de contacthoek en de Raman-intensiteit afnemen naarmate de diameter van de cirkel groter wordt. Omdat de cirkel het onbehandelde PTFE is, behouden deze gebieden zijn oorspronkelijke bevochtigingseigenschap, een hydrofobe toestand. Wanneer een druppel oplossing in het gegraveerde PTFE-substraat wordt gedruppeld, heeft de druppel de neiging in de hydrofobe cirkel te blijven. Door de afstoting van water op de superhydrofobe structuur naast de cirkel, heeft de druppel op het gegraveerde PTFE een vrij grote contacthoek. Met de toename van de diameter van de cirkel, neemt het contactoppervlak tussen de druppel en het oppervlak toe en zou de druppel langzaam plat gaan in plaats van een sferoïde. Omdat het druppelvolume op de verschillende substraten gelijk is, neemt de contacthoek geleidelijk af. Het effect verandert het oppervlak van het graveren van PTFE van superhydrofoob in hydrofoob, wat de verrijking van de opgeloste stoffen kan beïnvloeden, kan leiden tot het verlies van opgeloste stoffen en uiteindelijk de Raman-signalen kan verzwakken. Tegelijkertijd zouden de Ag-nanodeeltjes, naarmate de diameter van de cirkel toeneemt, zich in een groter gebied verspreiden, wat de kloof tussen Ag-nanodeeltjes zou vergroten en vervolgens de SERS-signalen zou verzwakken. Aan de andere kant, door de toename van de diameter van de cirkel, worden de analyten verspreid over een groter gebied, wat de SERS-detectie moeilijk maakt. Samenvattend zou de Raman-intensiteit van het molecuul afnemen naarmate de diameter van de cirkel groter wordt. Vanwege de beperking van de precisie van de lasergraveermachine, is 0,5 mm de minimale diameter van de cirkel.

In de tussentijd heeft de initiële concentratie van Ag-nanodeeltjes ook invloed op de SERS-intensiteit die wordt weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S6. Met de toename van de concentratie van Ag-nanodeeltjes, neemt de Raman-intensiteit dramatisch toe en heeft vervolgens de neiging zich te stabiliseren. Met de toename van Ag-nanodeeltjes zijn er meer "hot spots" op het substraat, wat leidt tot een toename van Raman-signalen. De meer gedetailleerde bespreking werd gegeven in de ondersteunende informatie. Om de Ag-nanodeeltjes te redden, moet de 1,19 × 10 ⁻¹² M Ag-colloïde-oplossing wordt gekozen als de beginconcentratie van Ag-nanodeeltjes. Samenvattend, in dit werk, de graveerstaplengte van 0,02 mm, het uitgangsvermogen van 20%, de graveersnelheid van 55 mm/s, de diameter van de cirkel van 0,5 mm en de 1,19 × 10 ⁻¹² Er werd gekozen voor M Ag-nanodeeltjes.

Om meerdere detecties op hetzelfde substraat te realiseren, werd het gegraveerde PTFE gemaakt in de platen met 24 putjes (figuur 5a), die vergelijkbaar waren met de platen met 24 putjes voor celkweek. Het verkregen substraat kan verschillende stoffen tegelijkertijd detecteren op hetzelfde gegraveerde PTFE. Ondertussen zouden de micro-/nanostructuren op het gegraveerde PTFE-oppervlak kunnen fungeren als virtuele putjes tussen twee verschillende druppeltjes, wat zou kunnen voorkomen dat de verschillende druppeltjes samensmelten. Om de voordelen van het gegraveerde PTFE-substraat met microarrays verder uit te leggen, werd ter vergelijking het originele PTFE gekozen. De SERS-spectra van MB-moleculen worden getoond in figuur 5b. De SERS-signaalintensiteit van MB verkregen op de microarrays is een duidelijke enorme verbetering vergeleken met de originele PTFE. Het is al bekend dat Ag-nanodeeltjes die verdampen op het oorspronkelijke substraat de neiging hebben om over een veel groter gebied te diffunderen dan dat op het gegraveerde PTFE volgens figuur 3. Daarom zijn de Ag-nanodeeltjes, die op het oorspronkelijke PTFE zijn verspreid, verre van elkaar zelfs op de rand, wat bijdraagt ​​aan de slechte Raman-signalen. Echter, in termen van PTFE met microarrays, zou het massieve nanodeeltjes kunnen samenvoegen en de verminderde afstand tussen nanodeeltjes kan SERS-signalen versterken. Zoals eerder gemeld [17,18,19], hoe kleiner de opening, hoe sterker het elektromagnetische veld van de opening tussen de twee nanodeeltjes. Aan de andere kant heeft het gegraveerde PTFE het vermogen om de analytmoleculen te concentreren in superverdunde waterige oplossingen, terwijl origineel PTFE dat niet doet, waardoor er meer moleculen binnen het focusgebied van de invallende laservlek op het gegraveerde PTFE komen in vergelijking met het originele PTFE. Ondertussen zou het substraat, vanwege het superhydrofobe condensatie-effect, kunnen helpen om moleculen in de hotspotgebieden te brengen [20]. Het is opmerkelijk dat de hoge waarschijnlijkheid van het verwerven van SERS-signalen van moleculen een andere zeer belangrijke factor is van actieve SERS-substraten. Om te bewijzen dat de kans op het detecteren van de MB-moleculen op het gegraveerde PTFE groter is dan die op het originele PTFE, worden de systematische mapping-metingen uitgevoerd en is de concentratie van moleculen 1 × 10 ⁻⁹ M, zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S7. Fig. 5c, d toont de spectra van respectievelijk MB-moleculen en R6G-moleculen, die zijn verzameld op de gegraveerde PTFE SERS-substraten. Er wordt geïllustreerd dat de Raman-signalen van MB-moleculen geleidelijk worden verzwakt met de afname van de moleculaire concentratie, terwijl de belangrijkste pieken konden worden onderscheiden en de detectielimiet 1 × 10 ⁻¹⁴ is M, zoals weergegeven in figuur 5c. Bovendien wordt het analoge gevolg gevonden door de R6G-spectra zoals weergegeven in figuur 5d. Om het gebruik van het gegraveerde PTFE in biologische toepassingen te bewijzen, werd een eiwit, runderserumalbumine (BSA), gebruikt om de prestaties van het ontwikkelde SERS-substraat te testen. De BSA met verschillende concentraties werd in het water gedetecteerd en de Raman-spectra werden getoond in Fig. 5e. Bovendien wordt de limietdetectie van MB, R6G en BSA die op verschillende substraten of met verschillende methoden is gedetecteerd, vermeld in het aanvullende bestand 1:Tabel S1.

een De schematische schets van het detecteren van substantie op het gegraveerde PTFE. b SERS-spectra van MB-moleculen met dezelfde concentratie (1 × 10 ⁻⁹ M) werd verkregen op respectievelijk origineel PTFE en gegraveerd PTFE. c , d , en e SERS-spectra van respectievelijk MB-moleculen, R6G-moleculen en BSA met verschillende concentraties