Ein neuer intelligenter oberflächenverstärkter Raman-Streusensor basierend auf pH-reaktiven Polyacryloylhydrazin-beschichteten Ag-Nanopartikeln

Hintergrund

Die oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) ist ein leistungsstarkes spektroskopisches Werkzeug zur Identifizierung von Molekülstrukturen durch Schwingungsinformationen von Zielmolekülen [1]. Aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit und ultraempfindlichen Analyse wurde SERS als idealer Ansatz zum Nachweis biologischer Moleküle, einschließlich DNA, RNA und Krebszellen, anerkannt [2]. Es besteht allgemein Einigkeit darüber, dass die SERS-Technik mit der Enhanced Electromagnetic (EM) veranschaulicht werden kann [3]. Unter den Einflüssen der EM spielt die lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) eine zentrale und dominierende Rolle [4]. Wenn sich Zielmoleküle in den Lücken zwischen benachbarten Metallnanopartikeln (sogenannten „Hot Spots“) befinden, erzeugt das Metallnanopartikel unter Einstrahlung von einfallendem Licht LSPR und sein elektromagnetisches Oberflächenfeld wird erhöht, was zu einem verstärkten Signal von SERS führt [5 ,6,7]. Die enorme Verbesserung gewährleistet die hohe Sensitivität von SERS, wodurch der charakteristische Fingerabdruck von Zielmolekülen auch bei niedrigen Konzentrationen erfasst werden kann [8,9,10].

Bis heute wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Sensitivität von SERS zu verbessern, um die Technik der SERS-Analyse zu entwickeln. Die erfolgreichen Strategien für ultrasensitive SERS wurden durch Metall-Nanopartikel-Substrate mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen realisiert [11]. Nach unserem Kenntnisstand gibt es jedoch keine entsprechenden Berichte über die kontrollierbare SERS-Erkennung [12,13,14,15]. Daher wird die Entwicklung abstimmbarer SERS zu einer der größten Herausforderungen im Zusammenhang mit hochempfindlichen SERS und Biosensoren. Polyacryloylhydrazid (PAH) ist ein pH-responsives Polymer, das in verschiedenen biomedizinischen Bereichen eingesetzt wurde [16]. Aufgrund der zahlreichen funktionellen Hydrazidgruppen an PAH kann PAH nicht nur als Endverkappungsreagenz, sondern auch als Reduktionsmittel der Metallionen-Vorstufen dienen, um leicht Ag-Nanopartikel (NPs) herzustellen [17]. Das Quell-Schrumpf-Verhalten von responsiven PAH kann den Abstand zwischen Ag-NPs und den Zielmolekülen unter externen pH-Stimuli steuern, was zu einer einstellbaren LSPR und weiter kontrollierten SERS führt.

In dieser Arbeit haben wir durch Kombination von pH-responsiven PAH-Polymeren und Ag-NPs erfolgreich Ag@PAH-NPs ohne andere Reagentien hergestellt. Rhodamin 6G (R6G) als Zielmolekül, Ag@PAH-NPs wurden erstmals zum SERS-Nachweis verwendet. Aufgrund der Reaktion des PAH-Polymers auf der Oberfläche von Ag-NPs kann ein kontrollierbarer SERS-Effekt der R6G/Ag@PAH-NPs durch Einstellen des pH-Werts realisiert werden. Darüber hinaus weisen Ag@PAH-NPs eine hohe Sensitivität und Reproduzierbarkeit auf, die es ermöglichen, sie auf biologische Gefahren oder chemische Reagenzienanalysen in Feldanwendungen zu untersuchen.

Methoden

Die Illustration des hergestellten Prozesses von Ag@PAH-NPs ist in Abb. 1 gezeigt. Kurz gesagt, 250 μL AgNO₃ wässrige Lösung (0,2 mol/l) wurde zu 25 ml PAH (ESI† für Details) wässriger Lösung (2 % w .) hinzugefügt /v ). Die Mischung wurde unter milden Bedingungen 30 Minuten lang bei 30 °C gerührt. Die resultierende rotbraune Lösung wurde durch Dialyse gegen entionisiertes Wasser für 24 h gereinigt und durch Zentrifugation gesammelt und in entionisiertem Wasser dispergiert. Anschließend wurden die unterschiedlichen pH-Werte der Ag@PAH-NP-Lösungen mit 0,1 mol/l HCl-Lösung oder 0,1 mol/l NaOH-Lösung angepasst.

Schematische Darstellung des präparierten Prozesses von Ag@PAH-NPs

Ergebnisse und Diskussion

Das PAH-Polymer besaß in jeder sich wiederholenden Einheit Hydrazidgruppen, die als wirksames Reduktionsmittel für die Herstellung von Metall-NPs dienten [18]. Ag ⁺ elektrophile Substitution, der Stickstoff am Ende der Hydrazidgruppen, bildete bei der Herstellung von Ag@PAH-NPs -CO-NH-NH- und Ag-NPs. Durch hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie fanden wir, dass die Ag-NPs vollständig von PAH-Polymer mit der vollständigen Kern-Schale-Struktur eingekapselt waren. Wir schätzten weiter, dass die durchschnittliche Größe der Ag-NPs in Abb. 2a etwa 90 nm betrug. Der hydrodynamische Durchmesser der Ag@PAH-NPs betrug 192,6 nm bei pH = 9 und verringerte sich auf 103,3 nm, wenn der pH-Wert 4 in Abb. 2b betrug. Darüber hinaus berechneten wir die Dicke der PAH-Schale durch Subtraktion des Ag-NP-Durchmessers von der Gesamtheit der Ag@PAH-NPs, die 102,6 nm bei pH = 9 und 13,3 nm bei pH = 4 betrug. Der Grund sollte der Quellung und zugeschrieben werden Schrumpfung der PAK. Das Quellen und Schrumpfen des PAH wird auf einen synergistischen Effekt der folgenden Faktoren zurückgeführt:Protonierungs-Deprotonierungs-Änderung, Ladungsabstoßung und die Kapazität zur Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen des PAH-Polymers. Darüber hinaus zeigten die Ag@PAH-NPs ähnliche Absorptionspeaks (bei etwa 423 nm) in UV-Vis-Spektren und nur die Absorptionsintensität nahm im pH-Bereich von 4 bis 9 in Abb. 2c ab. Dies deutete darauf hin, dass die zunehmende Dicke der Polymerhüllenschicht die Ausbreitung der lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanz behindern würde, ohne die optischen Eigenschaften von Ag-NPs zu ändern.

a HRTEM-Bilder und Partikelgrößenverteilung von Ag@PAH-NPs. b pH-Abhängigkeit des hydrodynamischen Durchmessers von Ag@PAH-NPs. c pH-Abhängigkeit der UV-vis-Absorptionsspektren von Ag@PAH-NPs

Die SERS-Leistung von Ag@PAH-NPs wurde mit R6G als Modellzielanalyt bewertet. Um den Ursprung der Ag@PAH-NPs zu verstehen, die die R6G-Raman-Signale verstärken, wurden Vergleichsexperimente durchgeführt, um den Einfluss der PAH-Polymerschicht zu unterscheiden. Wir verglichen die Raman-Signale der reinen R6G-Lösung, der reinen PAH-Lösung, einzelner Ag-NPs und Ag@PAH-NPs, die alle die gleiche Konzentration in Abb. 3a aufwiesen. Es ist bekannt, dass das Signal der reinen R6G-Lösung (10 ⁻⁶ M) ist ziemlich schwach. Nach Zugabe von Ag-NPs oder Ag@PAH-NPs als Substrate liegen die wichtigsten charakteristischen Peaks bei 1311, 1363, 1509 und 1651 cm ⁻¹ , die perfekt zu den Ramam-Spektren des R6G passten, wurden offensichtlich verbessert. Dies zeigt, dass ein bemerkenswertes SERS-Signal von R6G-Molekülen auf der Oberfläche von Ag-NPs und Ag@PAH-NPs vorhanden ist. Im Gegensatz dazu wurden in Abwesenheit von Ag-NPs vernachlässigbare SERS-Signale von einzelnen PAH-Polymeren beobachtet, was darauf hindeutet, dass die Anwesenheit von PAH-Polymer keinen Einfluss auf den SERS-Effekt für R6G-Moleküle hatte.

a Schematische Darstellung des Herstellungs-SERS-Prozesses von R6G auf Ag@PAH-NPs-Substraten. b Schematische Darstellung des einstellbaren SERS-Mechanismus von R6G mit Ag@PAH-NPs bei verschiedenen pH-Werten

Die SERS-Verstärkung der Metallzelle/Polymerhülle war sehr empfindlich gegenüber der Dicke der Polymerhülle, was sowohl durch theoretische als auch experimentelle Studien bewiesen wurde. Wir untersuchten den Effekt zwischen verschiedenen pH-Werten und SERS-verstärkten Signalen, wie in Abb. 4a ausgedrückt. Im Vergleich zum ursprünglichen Signal von R6G wurden die SERS-Signale in Gegenwart von Ag@PAH-NPs bei unterschiedlichen pH-Bedingungen verstärkt. Außerdem nahm die relative SERS-Intensität der Spektren mit steigendem pH-Wert ab. Dies erklärt, dass der SERS-Effekt von Ag@PAH-NPs empfindlich auf die Schalendicke von PAH reagierte. Die PAH-Hüllenschicht schrumpfte bei niedrigem pH-Wert, was zu einer stärkeren elektromagnetischen Feldstärke führte als bei hohem pH-Wert in derselben Konzentration von Ag@PAH-NPs, wie in Abb. 3b gezeigt. Daher induzierten die Ag@PAH-NPs bei niedrigem pH-Wert extrem verstärkte Raman-Signale, was die Abstimmbarkeit der Ag@PAH-NPs als SERS-Substrate gewährleistete. Dieses Phänomen wurde durch Berechnung der Raman-Verstärkungsfaktoren (EFs) von 1509 cm ⁻¹ . quantifiziert Peak für Ag@PAH-NPs (Gl. S1, ESI†). Die EFs von Ag@PAH-NPs bei verschiedenen pH-Werten wurden auf 0,8 × 10 ⁶ . geschätzt , 1,1 × 10 ⁶ , 1,5 × 10 ⁶ , 2,2 × 10 ⁶ , 3,3 × 10 ⁶ und 4,3 × 10 ⁶ bzw. in Fig. 4b (ESI† für Details). Die EFs von Ag@PAH-NPs bei verschiedenen pH-Werten waren alle hoch, bis zu 10 ⁶ Dies zeigte, dass Ag@PAH NP als effektives und intelligentes SERS-Substrat bei der Spurendetektion verwendet werden könnte.

a SERS-Spektren von R6G, das mit verschiedenen pH-Werten adsorbiert wurde. b EFs von R6G auf Ag@PAH-NPs als Funktion der pH-Werte bei 1509 cm ⁻¹ . c SERS-Spektren von R6G mit unterschiedlichen Konzentrationen, adsorbiert an Ag@PAH-NPs. d Verhältnis der Spitzenintensitäten bei 1509 cm ⁻¹ und Konzentrationen von R6G (Der Einschub ist die lineare Beziehung zwischen den logarithmischen Intensitäten und Konzentrationen von R6G.)

Darüber hinaus induzierten Ag@PAH-NPs bei niedrigem pH-Wert extrem verstärkte Raman-Signale, was die Ultrasensitivität der Ag@PAH-NPs als SERS-Substrate gewährleistete. Daher wurde eine Reihe von SERS-Spektren von R6G bei verschiedenen Konzentrationen (10 ⁻⁷ –10 ⁻¹² M) wurden bei pH = 4 unter Zugabe von Ag@PAH-NPs in derselben Konzentration weiter gemessen. Beim Vergleich der Signale dieser Kurven wurden die SERS-Intensitäten durch Verdünnen der Konzentrationen des Zielmoleküls in Fig. 4c verringert. Die charakteristischen Banden von R6G werden selbst bei einer Konzentration von nur 10 ^-12 . klar identifiziert M, was zeigt, dass Ag@PAH-NPs eine hohe nachgewiesene Sensitivität für R6G besitzen. Darüber hinaus besteht eine lineare Abhängigkeit zwischen den logarithmischen Konzentrationen von R6G und den Intensitäten des Fingerabdruckpeaks (1509 cm ⁻¹ ) in Abb. 4d. Im Konzentrationsbereich von R6G im Bereich von 10 ^–7 bis 10 ⁻¹² M, die lineare Regressionsgleichung war y = 5,9838 + 0,3228 log(x) und der Korrelationskoeffizient betrug 0,9971 (n = 6). Offensichtlich nahm im niedrigen Konzentrationsbereich die SERS-Intensität mit abnehmender Testkonzentration ab. Diese Ergebnisse bestätigten, dass die Ag@PAH-NPs ein vielversprechender Kandidat für eine intelligente Ultraspurenerkennung biologischer Gefahren oder chemischer Reagenzien werden.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir zum ersten Mal pH-responsive Ag@PAH-NPs als gewünschte Substrate für SERS-Anwendungen verwendet. Die Einführung eines pH-responsiven PAH-Polymers als Hüllenschicht kann Ag-NPs eine kontrollierbare lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz verleihen, indem die Hüllendicke unter pH-Stimuli angepasst wird, was zu einstellbaren SERS-Effekten führt. Die Ergebnisse zeigten, dass Ag@PAH-NPs eine ausgezeichnete kontrollierbare pH-responsive und ultra-sensitive SERS-Leistung besaßen, wodurch die Nachweisgrenze von R6G auf 10 ⁻¹² . reduziert wurde M. Ag@PAH-NPs sind vielversprechend für die intelligente SERS-Anwendung bei der Ultraspurenerkennung von biologischen Gefahren oder chemischen Reagenzien.

Zugehöriger Inhalt

Zusätzliche Informationen. Materialien, Instrumentierung, Vorbereitung der PAH- und EF-Berechnungsmethode. Abbildung S1. ¹ H-NMR-Spektrum von PMA in CDCl₃ und PAH in D₂ O (Zusätzliche Datei 1).

Abkürzungen

EFs:

Verbesserungsfaktoren

EM:

Verbesserte elektromagnetische

LSPR:

Lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz

NPs:

Nanopartikel

PAK:

Polyacryloylhydrazid

SERS:

Oberflächenverstärkte Raman-Streuung