Schaalbare, Patroneerbare Nano-Dot Arrays op ITO via Elektrolyse voor Hoog-Prestatie SERS

Samenvatting

De fabricage van grootoppervlakte apparaten met patroneerbare nano-structuren is belangrijk voor praktische toepassingen in optische of elektrische apparaten. In dit werk beschrijven we een eenvoudige en milieuvriendelijke methode voor het prepareren van grootoppervlakte nano-dot (ND) arrays via de electrolytische reactie van een metaaloxidefilm. NDs met verschillende grootte en morfologie kunnen verkregen worden door de toegepaste spanning, electrolysetijd en de filmdikte van de indium-tin-oxide (ITO) laag aan te passen. Hoog-dichtheid NDs met een grootte van 50–60 nm kunnen verkregen worden door elektrolyse van een 25-nm-dikke ITO-film bij 150 V gedurende 1,5 min onder een waterdruppelmiddel, die zijn toegepast voor oppervlakte-versterkte Raman-spectroscopie (SERS) na het depositeren van een dunne laag zilver. Het SERS-substraat geoptimaliseerde ND-structuur vertoont gevoelige detectie van Rhodamine 6G (R6G) met detectielimiet tot 5 × 10^-12 M. De versterkingsfactoren (EFs) van 1,12 × 10⁶ en 6,79 × 10⁵ zijn bereikt voor karakterisatie van 4-methylbenzenethiol (4-MBT) en R6G, respectievelijk. Met een additionele fotolithografische stap, kunnen meerdere gebieden van ND-arrays op één substraat gecreëerd worden, wat gelijktijdige detectie van diverse monsters met verschillende moleculen in één experiment mogelijk maakt. Een dergelijke methode is snel, eenvoudig, patroneerbaar en milieuvriendelijk, geschikt voor on-site snelle en synchrone bepaling van diverse moleculen voor toepassingen in point-of-care, milieumonitoring en luchthavenbeveiliging.

Inleiding

Oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiing (SERS) werd een paar decennia geleden waargenomen vanaf het verruwde oppervlak van een zilverelektrode. Het is breed onderzocht niet alleen om het mechanisme van SERS te begrijpen maar ook om praktische toepassingen te bereiken. Twee klassieke series van SERS-substraten zijn ontwikkeld, de zelf-geassembleerde colloïdale materialen en de nanogefabriceerde structuren. Nanopartikelen van edele metalen zoals Ag, Au en Cu zijn gesynthetiseerd voor SERS-studies. De nanopartikelsystemen zijn eenvoudig in gebruik, maar missen herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid met relatief lage gevoeligheid. Nanostructuren gefabriceerd door e-bundellithografie, laser-interferentielithografie, gefocuste ionenbundellithografie, nanospherelithografie en nano-imprintlithografie hebben hoge signaalversterking getoond met uitstekende herhaalbaarheid. Echter, deze nanofabricatietechnieken vereisen dure apparatuur en beperkte omgeving zoals ultrareine kamers; en het fabricatieproces is langzaam.

Omdat SERS direct gebruikt kan worden voor moleculaire sensing en identificatie in aqueous medium zonder onderbreking van water, is het breed toegepast voor kleine en bimoleculaire sensing. Voor betere en bredere toepassingen, is eenvoudige en snelle fabricage van SERS-microarray-substraat nog steeds sterk vereist voor gelijktijdige detectie van diverse moleculen, met name voor toepassingen in point-of-care technologie (POCT) en veiligheidsmonitoring. Zowel colloïdale deeltjesassemblage als nanofabricatietechnologieën omvatten diverse typen chemicaliën of hoog energieverbruik, bijvoorbeeld speciale chemicaliën of gassen voor deeltjessynthetise en droge-etch-processen, respectievelijk, en hoog energieverbruik voor gesofisticeerde laag-voor-laag ontwerp en depositie. Diverse milieuschadelijke verontreinigingen worden geproduceerd tijdens de processen, zoals organische, zuren, basen, zware metaalionen en giftige etsgassen.

ITO-films kunnen via standaard metaaldepositietechnologie prepareren en worden breed gebruikt in lab en industrie als conductieve substraat volgens zijn transparantie en lage kosten. Gao et al. hebben gerapporteerd dat ITO-film getransformeerd kan worden naar indium (In) dots onder kathodische polarisatie in NaOH-oplossing.

In dit werk stellen we een eenvoudigere, snelere en groenere technologie voor door NDs op glasoppervlak te creëren via directe elektrolyse van ITO-film in water in één stap. Met een additionele fotolithografische stap, kunnen ND-arrays gecreëerd worden met gepatroneerde meerdere gescheiden gebieden en dus gelijktijdige bepaling van meerdere monsters met diverse typen moleculen op één substraat bereiken. De elektrolyse vindt plaats onder milde condities bij lage spanning in wateromgeving/medium.

Materialen en Methoden

Materialen en Reagentia

ITO-glas (1,1 mm dik) werd gekocht van Luoyang Longqian Glass Co., Ltd. (Henan, China), met ITO-dikte van 25, 50, 100 en 200 nm corresponderend met de vierkante weerstand van 93,52, 31,05, 15,86 en 6,97 Ω/vierk, respectievelijk. Fluorine-gedopeerd tin-oxide (FTO) glas (2,2 mm dik) werd gekocht van Yaoke Photoelectric Co., Ltd. (Jiangsu, China), met FTO-dikte van 400 nm en vierkante weerstand van 10,85 Ω/vierk. Gedemineraliseerd (DI) water (18,25 MΩ cm bij 25 °C) werd prepareren met behulp van een Milli-Q Plus waterzuiveringssysteem (Sichuan Wortel Water Treatment Equipment Co., Ltd., Sichuan, China). Ethanol (Damao Chemical Reagent Factory, Tianjin, China) en aceton (Zhiyuan Chemical Reagent Co., Ltd., Tianjin, China) werden gebruikt om ITO-glas te reinigen. Fotoweerstand SUN-120P werd gekocht van Suntific Microelectronic Materials Co., Ltd. (Shandong, China) voor het patroneren van ITO. 4-Methylbenzenethiol (4-MBT, 98%), natrium 2-mercaptoethaansulfonate (MESNa, ≥ 98,0%) en dopamine hydrochloride werden allemaal gekocht van Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, VS). Rhodamine 6G (R6G, 98,5%) werd gekocht van J&K Scientific (Beijing, China). Kaliumhydroxide (KOH, GR 95%) en melamine (99%) werden gekocht van Aladdin (Shanghai, China). D-(+)-Glucose (99%) werd gekocht van Alfa Aesar (Shanghai, China). Methylene blue (AR), ureum (AR, ≥ 99,0%) en fosforzuur (AR, 85%) werden gekocht van Damao Chemical Reagent Factory (Tianjin, China). Formaldehydeoplossing (AR, 37–40%), natriumdihydrogenfosfaat dehydraat (AR, ≥ 99,0%) en dinatriumwaterstoffosfaat dodecahydraat (AR, ≥ 99,0%) werden gekocht van Guangzhou Chemical Reagent Factory (Guangzhou, China). Alle chemicaliën werden als ontvangen gebruikt.

Elektrolyse van ITO-film in Water

Een ITO-glassubstraat werd eerst gesneden en achtereenvolgens gereinigd in aceton, ethanol en DI-water, waarbij elk proces 15 min duurde, en daarna grondig gespoeld met DI-water en gedroogd met stikstofblazing. Figuur 1 toont het schematische van het fabricatieproces. Een druppel DI-water werd op het ITO-oppervlak gedropt als het elektrolysemedium. Een wolfraam (W) draad werd in de druppel gestoken en verbonden met de positieve elektrode, en de ITO-film was verbonden met de negatieve elektrode van een stroomvoorziening (PSW800-1.44, GWINSTEK, Taiwan, China), zoals getekend in Fig. 1a. Toen een spanning over het water werd toegepast, werd ITO geëlectrolyseerd om In NDs te vormen binnen het water-mediumgebied (Fig. 1b).

Bovendien kan een ITO-film eenvoudig gepatroneerd worden naar diverse gebieden in micrometer tot centimeter bereik. Een ITO-film kan ook gepatroneerd worden naar een array met diverse geïsoleerde gebieden bestaande uit NDs om meerdere functionele gebieden op één substraat te bereiken. Dit is zeer belangrijk voor hoge-doorvoer/meervoudige detectieapparaten. Om gepatroneerde ND-arrays te vormen, werd 3,5 × 3,5 cm² ITO-glasoppervlak gepatroneerd naar gescheiden vierkante gebieden via een fotolithografieproces. Daarna werden een rooster-gepatroondeerd ITO-substraat en een vlak ITO-substraat met het gezicht naar elkaar gebonden om een in-parallel apparaat te vormen, afgedicht met een 200-μm-dikke presslijmframe en gevuld met DI-water. Het vlakke en gepatroneerde ITO's werden verbonden met de positieve en negatieve elektrode van een stroomvoorziening, respectievelijk. Deze methode was zeer geschikt voor de preparatie van grootoppervlakte en gepatroneerde ND-arrays.

SERS Metingen

Door de toegepaste spanning, electrolysetijd en ITO-film-dikte af te stellen, kon de NDs-grootte en -dichtheid gevarieerd worden. Gevormde NDs waren typisch tientallen tot honderden nanometer dicht bij elkaar gerangschikt, vormende nanogaps. Een SERS-substraat werd dan verkregen door een dunne laag Ag te depositeren (PD400, Wuhan PDVACUUM Technologies Co., Ltd., Wuhan, China).

Om de gevoeligheid van zo'n SERS-substraat te karakteriseren, werden Raman-spectra gemeten met behulp van een Renishaw inVia Raman-microscoop (Renishaw 42 K846, Renishaw Co., Ltd., VK). Een SERS-substraat werd 1 uur in de analietoplossing gedoopt en daarna grondig gespoeld gedurende 1 min met het corresponderende oplosmiddel en afgeblaast met zuivere stikstofgas. Het gedroogde SERS-substraat werd vervolgens op het podium van de Raman-microscoop geplaatst voor metingen. Een 532 nm laser met een vermogen van ~0,14 mW werd gefocust op het monster door een ×50 objectieflens (numerieke opening, NA = 0,5, Leica). De diameter van de laserspot op het substraat was 1,30 μm. De elastisch verstrooide laser-excitatie werd verwijderd met een randfilter. Elk Ramanspectrum werd verzameld met 10 s accumulatietijd.

Bovendien, om de veelzijdigheid en snelle detectie te evalueren, werden negen probemoleculen van 4-MBT, R6G, dopamine hydrochloride, ureum, formaldehyde, methylene blue, MESNa, d-(+)-glucose, melamine gekozen om het preparaat SERS-substraat te karakteriseren voor gelijktijdige bepaling van meerdere moleculen. 4-MBT en methylene blue werden opgelost in ethanol. MESNa werd opgelost in DI-water met pH van 2,7 afgestemd door de fosfaatbufferoplossing. d-(+)-glucoseoplossing werd prepareren door gebruik te maken van een fosfaatbufferoplossing met pH van 7,5. Alle overige monsteroplossingen werden prepareren door op te lossen in DI-water. Voor elke meting werd een druppel van 3,0 μL preparaatoplossing snel op het substraat gedropt, en het Ramanspectrum werd onmiddellijk opgetekend. De analietconcentraties waren 10^-4, 5 × 10^-11, 10^-3, 0,5, 10^-3, 10^-5, 10^-2, 1 en 10^-2 M voor 4-MBT ethanoloplossing, R6G waterige oplossing, dopamine hydrochloride oplossing, ureum waterige oplossing, formaldehydeoplossing, methylene blue ethanoloplossing, MESNa oplossing, d-(+)-glucose oplossing en melamine waterige oplossing, respectievelijk. Alle metingen werden onmiddellijk uitgevoerd met behulp van het Raman-instrument (Finder Insight, Zolix Instruments Co., Ltd., Beijing, China) met een excitatielaser van 532 nm golflengte en 2,5 mW vermogen. De 10-μm diameter laserbundel werd gefocust op het monster door een ×50 objectief (NA = 0,55). Elk Ramanspectrum werd verzameld voor 0,3 s/keer, met 10 keer accumulatie.

Overige Karakterisaties

De morfologieën van het gefabriceerde substraat werden gekarakteriseerd met behulp van veldemissie-scanning-elektronenmicroscopie (FE-SEM) (ZEISS-Ultra 55, Carl Zeiss AG, Duitsland) bij een versnellingspanning van 5 kV. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) metingen werden uitgevoerd met behulp van een JEM-2100 microscoop (JEM-2100HR, JEOL, Japan). De nanodots (nanopartikelen) werden afgeschraapt en gedispergeerd in DI-water. Chemische samenstelling werd geanalyseerd met behulp van een energie-dispersieve spectroscope (EDS) uitgerust in de FE-SEM en een Röntgendiffractie (XRD) (X'Pert PRO, PANalytical, Nederland) uitgerust met een Cu Ká stralingsbron, bij een scansnelheid van 0,04°/s, en de diffractiehoek (2θ) van 20 tot 65°. Het absorptiespectrum werd opgetekend in het golflengtebereik van 440–650 nm met behulp van een spectrometer (USB 2000+, Ocean Optics, VS).

Resultaten en Discussie

Vorming van Nanodots door Elektrolyse van ITO-film in Watermedium

ITO-films als transparante conductieve substraten zijn breed toegepast in opto-elektronische apparaten zoals lichtemissieapparaten (LED), displays en zonnecellen. In het algemeen is ITO-corrosie nadelig voor elektronische toepassingen. Hier, aan de andere kant, maken we gebruik van de ITO-corrosie geïnduceerd door elektrolyserreactie om dicht gepakte NDs te vormen en te gebruiken voor SERS-toepassing. Schematisch van de elektrolyse-geïnduceerde ND-vorming wordt getoond in Fig. 1a, b. ITO-filmoppervlak was vlak en transparant vóór elektrolyse (Fig. 1c). In het algemeen is ITO samengesteld uit In₂O₃ en SnO₂ in diverse verhoudingen. EDS werd uitgevoerd om de samenstelling van ITO te karakteriseren, zoals getoond in Additional file 1: Figure S1. Na een periode van elektrolyserreactie, werd het ITO-oppervlak doorschijnend en geel na drogen. Gekarakteriseerd door SEM, vonden we dat dicht gepakte NDs op het glasoppervlak gevormd waren op het glasoppervlak (Fig. 1d). XRD-metingen in Fig. 1e tonen aan dat drie nieuwe pieken verschenen na elektrolyse, wat overeenkomt met (101), (002) en (110) kristalvlakken van In-element. Echter, de pieken van ITO werden lager. TEM-afbeelding in Fig. 1f bevestigt dat de gevormde NDs van In-materiaal zijn.

ITO-film is een metaaloxide-materiaal met morfologieën van zowel kristallijn als amorfe, met typisch nanoschaal oppervlakteroughness. Er is gerapporteerd dat ITO gecorrudeerd kan worden door NaOH om In-nanopartikelen te vormen. Wanneer een spanning over de ITO-film wordt toegepast, worden elektronen overgedragen tussen kathode en anode. Daarom kunnen de elektrochemische reacties op kathode en anode worden beschreven door Eqs. (1) en (2):

Kathode: In₂O₃ + 3H₂O + 6e⁻ → 2In + 6OH⁻

Anode: 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻

Daarom kan het ND-vormingsproces geïllustreerd worden in Fig. 2. In het begin is de elektrolyserreactie homogeen over het ITO-oppervlak. Echter, de ITO-film is niet perfect homogeen met filmdiktevariatie volgens normaal ITO-fabricatieproces, met name voor amorfe ITO-films. Daarom, met tijdsevolutie, zal het dunne gebied sneller verbruikt worden om defecten te vormen volgens de hogere elektrische veldsterkte en kleinere dikte. Na bereiken van de verzadigingsconcentratie in water, beginnen gereeduceerde In-atomen te accumuleren om NDs op het oppervlak te vormen. Tijdens de elektrolyse kon duidelijke transparantie- en kleurverandering waargenomen worden na een periode. Volgens het interfaciaal-spanningseffect tijdens een ontwettingsproces, werd een grote hoeveelheid NDs op het oppervlak gevormd. Een dergelijke methode, zonder enige eisen voor specifieke behandeling en chemicaliën, wordt gerealiseerd in watermedium met een toegepaste spanning en kan dus worden beschouwd als een milieuvriendelijke technologie.

Elektrolyseparameters: Reactietijd, Toegepaste Spanning en ITO-film-dikte

De NDs-grootte en -dichtheid zijn gerelateerd aan de ITO-film-dikte en de reactiekinetiek. In dit werk werden de effectieve factoren van reactietijd, toegepaste spanning en ITO-film-dikte allemaal onderzocht om het ND-vormingsproces te achterhalen. Op die manier konden experimentele parameters geoptimaliseerd worden om SERS-substraat met hoge gevoeligheid te prepareren. Figuur 3a toont de SEM-afbeeldingen van verkregen NDs op het glas (25-nm-dikke ITO) bij een toegepaste spanning van 150 V bij verschillende reactietijden. Het toont duidelijk het opeenvolgende vormingsproces van een continue ITO-film (Fig. 1c) naar kleine NDs ingesloten in de film, ruwe NDs, gladde NDs, en staande en gescheiden NDs, zoals gedemonstreerd in de afbeeldingen in Fig. 3a van links naar rechts, respectievelijk. Deze geleidelijke verandering in morfologie en grootte kan begrepen worden door de elektrolyserreactie van de ITO-film en het diffusie-gecontroleerde ND-vormingsproces.

Initiëel begon de ITO-film te reageren op het filmoppervlak. Typisch is de elektrische veldsterkte over het dunne gebied hoger; dus is de initiële reactiesnelheid hoger. Gevolgenlijk zouden defecten op de continue film vormen van de dunne punten (gebieden), waarin de geproduceerde In-atomen geaccumuleerd werden om NDs te vormen. In deze fase waren de gevormde kleine NDs nog in de defectgebieden, omringd door de ITO-film. Met de toename van reactietijd, werd het grootste deel van ITO-materiaal gereduceerd om In NDs op het oppervlak te vormen. Toen de reactietijd 0,5 min bereikte, werd een grote hoeveelheid NDs gevormd, ingesloten in de ITO-film. Toen de reactietijd toename tot 1,5 min, namen de NDs-grootte en -dichtheid toe, en de gat tussen NDs nam af. Verdere verhoging van de reactietijd tot 3,0 en 5,0 min, werden de verkregen NDs groter en ronder, en het gat tussen NDs nam ook toe. Elektrische metingen toonden aan dat de ND-gebieden niet elektrisch conductief waren. Dit betekent dat geïsoleerde NDs verkregen werden zonder continue interconnectie. Van de SEM-afbeeldingen in Fig. 3a konden we waarnemen dat bij de reactietijd van 1,5 min, de gevormde NDs relatief uniforme grootte hebben en dicht gerangschikt. Kleiner gat betekent meestal sterkere elektromagnetische versterking. Dus werd 1,5 min geselecteerd voor het prepareren van de SERS-monsters voor verdere experimenten.

Daarna onderzochten we het effect van toegepaste spanning op de grootte en dichtheid van gevormde NDs. Een ITO-glas met een 25-nm-dikke ITO is gekozen voor dit experiment, en een elektrolyserreactie werd uitgevoerd bij verschillende toegepaste spanningen gedurende 1,5 min. Zoals getoond in Fig. 3b, nam de dichtheid van gevormde NDs toe met toegepaste spanning. Bij lage spanning van 50 en 100 V, was de hoeveelheid gevormde NDs laag; en dus was in hetzelfde gebied de dichtheid laag, duidelijk gescheiden van elkaar. Toen de toegepaste spanning verhoogd werd tot 150 en 200 V, werden meer NDs gevormd, met dicht bij elkaar gerangschikte patronen. Uniforme grootte en hoge dichtheid zijn essentieel om reproduceerbare Raman-spectra met hoge gevoeligheid te verkrijgen. Dus werd de optimale toegepaste spanning voor SERS-substraatpreparatie ingesteld op 150 V.

Figuur 3c toont de SEM-afbeeldingen NDs gevormd van 25, 50, 100 en 200 nm ITO-films door elektrolyserreactie bij 150 V gedurende 1,5 min. In het geval van 25 nm ITO-film, werden hogere dichtheid en meer uniforme NDs waargenomen vergeleken met de andere drie ITO-films met dikte van 50, 100 en 200 nm. Zoals gerapporteerd, beïnvloeden de oppervlakteroughness en weerstand van conductieve substraten de kristalliniteit. Typisch neemt de oppervlakteroughness toe met filmdikte. Meer uniforme NDs van dunner ITO-film werden toegeschreven aan het gladde oppervlak met minder defecten. Daarom vertoonde de dunste ITO-film de laagste roughnes, wat resulteerde in de meest uniforme NDs. Aan de andere kant, de weerstand van ITO-films zou de initiële In ND-vormingsproces beïnvloeden. De vierkante weerstand was 93,52, 31,05, 15,86 en 6,97 Ω/vierk voor de ITO-film-dikte van 25, 50, 100 en 200 nm, respectievelijk. Dit betekent dat bij dezelfde toegepaste spanning, lage elektrische stroom verkregen werd over de dunne ITO-film. Als resultaat werd een langzame en milde reactie bereikt op dunne film. Dit is consistent met het experimentele resultaat dat meer uniforme en hogere dichtheid NDs gevormd werden van de dunner ITO-films. Volgens deze resultaten werden de experimentele parameters voor het prepareren van de NDs voor SERS-toepassing geselecteerd als ITO-film-dikte van 25 nm, toegepaste spanning van 150 V en elektrolyserreactietijd van 1,5 min. Bovendien is de FTO-film ook toegepast voor elektrolyse. Zoals getoond in Additional file 1: Figure S2, werden micro- en nano-deeltjes gevormd na elektrolyse. Dit kan suggereren dat zo'n elektrolyserreactie ook toepasbaar is voor andere metaaloxide-films bij diverse condities en potentieel voor andere toepassingen.

SERS Karakterisatie

Om het SERS-effect van het gefabriceerde substraat met hoge dichtheid NDs te evalueren, werd 4-MBT geselecteerd als probemolecuul vanwege de kleine hoeveelheid wel-gekarakteriseerde pieken en grote Raman-doorsnede. Een dunne laag Ag werd gedeponeerd op het verkregen substraat (preparaat onder de geoptimaliseerde condities zoals hierboven vermeld) met hoge dichtheid NDs. SEM-afbeeldingen in Additional file 1: Figure S3a–c tonen de morfologieën van Ag-bedekte NDs, bij Ag-laagdikte van 30, 77 en 160 nm, respectievelijk. Door de Ag-laagdikte te variëren, namen de gaten tussen NDs af. De hoogste gemiddelde Raman-intensiteit werd verkregen bij Ag-dikte van 77 nm (Additional file 1: Figure S3d).

Figuur 4a, b toont de gedetailleerde SERS-karakterisatie op het substraat met In NDs preparaat onder de geoptimaliseerde condities en bedekt met 77 nm gedeponeerd Ag. Het referentiemonster werd prepareren door direct 77 nm Ag-film te depositeren op een ITO (25 nm) glas. Het Ramansignaal werd significant versterkt op het ND SERS-substraat vergeleken met het referentiesubstraat. De twee hoofdkarakteristieke pieken voor 4-MBT-moleculen bij 1079 en 1594 cm^-1 werden duidelijk waargenomen op het ND SERS-substraat. De 1079 cm^-1 piek vertegenwoordigt een combinatie van de fenylring-ademmingsmodus, C–H in-planebuiging en C–S rekken. De piek bij 1594 cm^-1 kan toegeschreven worden aan fenylrekbeweging (8a trillingsmodus).

Om de relatieve homogeniteit over een groot gebied van het preparaat ND SERS-substraat te onderzoeken, werden 10 metingen uitgevoerd op hetzelfde substraat door het monster willekeurig te verplaatsen op het podium van het Raman-instrument. Figuur 4b toont de gemeten Ramanspectra, wat relatief consistente signaalintensiteiten voor elke karakteristieke piek van de 4-MBT suggereert. De relatieve standaarddeviatie (RSD) van de Raman-intensiteit bij 1594 cm^-1 was ongeveer 4,1%, wat de hoge signaalreproduceerbaarheid van het SERS-substraat preparaat via dit voorgestelde proces aangeeft.

Bovendien is R6G ook geselecteerd om de betrouwbaarheid en gevoeligheid van het SERS-substraat te demonstreren. Figuur 4c toont de Ramanspectra gemeten op een as-preparaat ND SERS-substraat en een referentie Ag-film. De karakteristieke pieken van R6G werden waargenomen bij 614, 771, 1187, 1362, 1507, 1571 en 1648 cm^-1. De pieken bij 614, 771 en 1187 cm^-1 worden toegeschreven aan C–C–C ring in-planebuiging, C–H uit-planebuiging en C–O–C rektrillingen, respectievelijk. En de pieken bij 1362, 1507, 1571 en 1648 cm^-1 zijn geassocieerd met aromatische C–C rektrillingen.

Figuur 4d toont de Ramanspectra op een as-preparaat ND SERS-substraat in R6G waterige oplossing met concentraties variërend van 5 × 10^-12 tot 5 × 10^-7 M. Raman-intensiteiten van R6G namen duidelijk af met de afname van R6G-concentratie. De karakteristieke pieken van R6G konden nog steeds duidelijk geïdentificeerd worden zelfs bij de R6G-concentratie zo laag als 5 × 10^-12 M, wat de hoge gevoeligheid van het gefabriceerde ND SERS-substraat aangeeft. Om het SERS-effect van het preparaat ND-substraat kwantitatief te karakteriseren, hebben we de versterkingsfactor (EF) berekend. De Ramanspectra van zuivere poeders van 4-MBT en R6G (Additional file 1: Figure S4), en de gedetailleerde informatie van EF-berekening (Additional file 1: Figure S5) worden gepresenteerd in de supplementaire informatie. EFs voor 4-MBT en R6G werden berekend als 1,12 × 10⁶ en 6,79 × 10⁵ bij hun karakteristieke Raman-pieken van 1079 en 1648 cm^-1, respectievelijk. Bovendien zijn moleculen met kleinere Raman-doorsnede van MESNa ook gebruikt voor SERS-meting, zoals getoond in Additional file 1: Figure S6, wat het betrouwbare SERS-effect demonstreert.

In het algemeen kan SERS-versterking bijgedragen worden van elektromagnetische (EM) en chemische (CM) effecten. Additional file 1: Figure S7 toont het absorptiespectrum van ND-substraat bedekt met 77 nm Ag-film. Het referentiesubstraat werd prepareren door 77 nm Ag te depositeren op een kaal ITO (25 nm) film. Het NDs-substraat werd gefabriceerd onder de geoptimaliseerde experimentele parameters van ITO-film-dikte van 25 nm, toegepaste spanning van 150 V en elektrolyserreactietijd van 1,5 min. Wanneer de excitatiegolflengte hetzelfde is als of dicht bij de piek van oppervlakteplasmonresonantie (SPR), zal de elektromagnetische plasmonische koppeling plaatsvinden en sterke SERS-versterking induceren. De SPR-piek van het NDs SERS-substraat is ~453 nm (Additional file 1: Figure S7), wat dicht bij de excitatiegolflengte van 532 nm in ons experiment ligt; daarom is de SERS-versterking voornamelijk het resultaat van de elektromagnetische versterking volgens de "hotspots" uit de tussengaten tussen NDs. Om de EM-versterking verder te onderzoeken, werd finite-difference time-domain (FDTD) simulatie uitgevoerd om het elektrische veld in de tussengaten van NDs te bestuderen. De resultaten van het relatieve totale elektrische veld worden getoond in Additional file 1: Figure S8. Simulatieresultaten tonen aan dat de elektrische veldversterking voornamelijk optreedt in de gaten tussen NDs. De maximale factor van 3,0 vertegenwoordigt een veldversterking |E|² van 10³ wat correspondeert met een EF van 10⁶, wat in goede overeenstemming is met de experimentele resultaten (1,12 × 10⁶ bij 1079 cm^-1 voor 4-MBT en 6,79 × 10⁵ bij 1648 cm^-1 voor R6G).

Bovendien zijn halfgeleidermaterialen (In₂O₃, SnO₂, TiO₂) gerapporteerd om SERS-signaal te versterken door ladingsoverdracht tussen de moleculen en materialen (bijv. R6G en overgangsmetaaloxiden, 4-mercaptobenzoïne (4-MBA)/4-nitrobenzenethiol (4-NBT) en SnO₂), wat gerelateerd is aan CM. ITO is samengesteld uit In₂O₃ en SnO₂ in diverse verhoudingen. Na ITO-elektrolyse in watermedium worden de In NDs gevormd door de elektrochemische reductiereactie; en tegelijkertijd kunnen de pieken van ITO nog steeds duidelijk waargenomen worden zoals getoond in Fig. 1e. Om te onderzoeken hoeveel de CM-versterking van In₂O₃/SnO₂-naar-molecuul ladingsoverdracht bijdroeg aan het verkregen SERS-effect, werden de Ramanspectra van 10^-4 M 4-MBT en 5 × 10^-7 M R6G op het ITO-glas, NDs-substraat na ITO-elektrolyse, ITO-glas bedekt met 77 nm Ag-film, en NDs-substraat bedekt met 77 nm Ag-film respectievelijk gemeten (Additional file 1: Figure S9). Het NDs-substraat werd gefabriceerd onder de geoptimaliseerde experimentele parameters van ITO-film-dikte van 25 nm, toegepaste spanning van 150 V en elektrolyserreactietijd van 1,5 min. De karakteristieke Raman-pieken van 4-MBT en R6G waren moeilijk te onderscheiden op het ITO-glas, NDs-substraat na ITO-elektrolyse en ITO-glas bedekt met Ag-film; echter, de duidelijke Raman-pieken van 4-MBT en R6G werden waargenomen op NDs-substraat bedekt met Ag-film. Dus wordt de CM-versterking van In₂O₃/SnO₂-naar-molecuul ladingsoverdracht als zwak beschouwd, verwaarloosbaar vergeleken met EM-versterking. Het hoog versterkte SERS-effect wordt voornamelijk bijgedragen door de elektromagnetische versterking tussen de tussengaten tussen In NDs.

Gepatroneerde ND-arrays voor Gelijktijdige SERS-karakterisatie van Diverse Monsters op Één Substraat

Zoals gedemonstreerd in de vorige sectie, kon deze methode eenvoudig de NDs creëren door een eenvoudige en snelle elektrolyserreactie op nanoschaal ITO-film. Bovendien kan een ITO-film gepatroneerd worden door het film gedeeltelijk te beschermen of te segmenteren, wat arrays op één substraat vormt, zoals schematisch gedemonstreerd in Fig. 5a. Drie 3,5 × 3,5 cm² substraten zijn gepatroneerd naar 1 × 1, 3 × 3 en 5 × 5 SERS-gebieden, zoals gedemonstreerd in Fig. 5b. Aangezien het ITO-gebied voor elektrolyserreactie vergroot was vergeleken met de drupelektrolyse, nam het totale ladingsgetal toe tijdens elektrolyse, wat de toename in stroom en afname in weerstand induceerde. Volgens de stroomgrens van de stroomvoorziening van 1,512 A, is de maximaal uitgangsspanning van ~75 V toegepast voor de In NDs-preparatie in de gepatroneerde in-parallel cellen. De electrolysetijd werd onderzocht, zoals gedemonstreerd in Additional file 1: Figure S10. De ND-arrays met de hoogste dichtheid en uniformiteit werden verkregen bij de reactietijd van 5,0 min. Hier werden de geoptimaliseerde parameters van ITO-film-dikte van 25 nm, toegepaste spanning van 75 V en elektrolyserreactietijd van 5,0 min gebruikt voor het fabriceren van het grootoppervlakte SERS-substraat met gepatroneerde ND-arrays. De 50 × 50 μm² vierkante ND-arrays met gatafstand van ongeveer 5,0 μm zijn bereikt, zoals getoond in Additional file 1: Figure S11.

Een substraat met 3 × 3 gebieden preparaat onder de geoptimaliseerde condities werd gebruikt als SERS-substraat voor meervoudige monsterdetectie. Zoals geïllustreerd in Fig. 6a, werden 9 individuele druppels (3,0 μL voor elk) met 9 verschillende analytische oplossingen op de gepatroneerde 9 gebieden gedropt. De geselecteerde 9 analieten 4-MBT, R6G, dopamine hydrochloride, ureum, formaldehyde, methylene blue, MESNa, d-(+)-glucose en melamine werden op het substraat geplaatst als gemarkeerd als monsters 1 tot 9, respectievelijk. Zoals te zien is in Fig. 6b, tonen alle 9 moleculen duidelijke Raman-karakteristieke pieken. Dit heeft bewezen dat het concept van het gebruik van één substraat voor gelijktijdige detectie van diverse monsters op één substraat.

Conclusies

Samengevat, hebben we een eenvoudige, snelle en goedkope methode voorgesteld en gevalideerd voor het fabriceren van NDs als SERS-substraten op grootoppervlakte met patroneerbare structuren. De vorming van NDs was gebaseerd op elektrolyse van ITO-film in watermedium. De factoren van electrolysetijd, toegepaste spanning en ITO-film-dikte bepaalden de ND-grootte en -dichtheid. Goed-gedistribueerde NDs met grootte in het bereik van 50–60 nm zijn verkregen door elektrolyse van een 25-nm-dikke ITO-film bij een toegepaste spanning van 150 V gedurende 1,5 min (drupelektrolyse). Het gefabriceerde ND-substraat is geëvalueerd door zijn SERS-effect na het depositeren van ~77 nm Ag, met behulp van diverse probemoleculen. Reproduceerbare en gevoelige Ramanspectra zijn verkregen voor 4-MBT en R6G met EFs van ~1,12 × 10⁶ en ~6,79 × 10⁵, respectievelijk. Bovendien, gecombineerd met fotolithografie, kan een 3,5 × 3,5 cm² substraat gepatroneerd worden met 1, 9 of 25 SERS-gebieden, voor welke meervoudige monsterdetectie gelijktijdig bereikt kan worden op één substraat met slechts één druppel van elke analytische oplossing. Dit is sterk vereist voor snelle kwalificatie van specifieke moleculen voor on-site toepassingssituaties zoals POCT, milieumonitoring en luchthavenbeveiligingscontrole. Een dergelijke technologie toont voordelen van eenvoudige fabricage onder milde condities, patroneerbaar om arrays op een groot oppervlak te vormen, en integreerbaar met microvloeistoftechniek voor hoge-doorvoer optofluidische toepassingen.