Großflächiges und strukturierbares Nano-Dot-Array aus der Elektrolyse von ITO-Film für die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie

Einführung

Oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) wurde vor einigen Jahrzehnten an der aufgerauten Oberfläche einer Silberelektrode beobachtet [1]. Es wurde nicht nur intensiv untersucht, um den Mechanismus von SERS zu verstehen, sondern auch, um praktische Anwendungen zu erzielen. Zwei klassische Serien von SERS-Substraten wurden entwickelt, die selbstorganisierten kolloidalen Materialien und die nanofabrizierten Strukturen [2]. Für SERS-Studien wurden Nanopartikel von Münzmetallen wie Ag, Au und Cu synthetisiert [3, 4]. Die Nanopartikelsysteme sind einfach zu handhaben, jedoch mangelnde Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit bei relativ geringer Sensitivität [5, 6]. Nanostrukturen, die durch Elektronenstrahllithographie [7, 8], Laserinterferenzlithographie [9, 10], fokussierte Ionenstrahllithographie [11], Nanosphärenlithographie [12] und Nanoimprint-Lithographie [13] hergestellt wurden, haben eine hohe Signalverstärkung mit ausgezeichneter Wiederholbarkeit gezeigt . Diese Nanofabrikationstechnologien erfordern jedoch teure Ausrüstung und schränken Umgebungen wie Reinsträume ein; und der Herstellungsprozess ist auch langsam.

Da SERS ohne Unterbrechung der Wasserzufuhr direkt für die molekulare Sensorik und Identifizierung in wässrigem Medium verwendet werden kann, wird sie häufig für die kleine und bimolekulare Sensorik eingesetzt [14,15,16]. Für bessere und breitere Anwendungen ist eine einfache und schnelle Herstellung von SERS-Mikroarray-Substrat für die gleichzeitige Detektion verschiedener Moleküle immer noch dringend erforderlich, insbesondere für Anwendungen in der Point-of-Care-Technologie (POCT) und der Sicherheitsüberwachung. Sowohl die kolloidale Partikelanordnung als auch die Nanofabrikationstechnologien erfordern verschiedene Arten von Chemikalien oder einen hohen Energieverbrauch, beispielsweise spezielle Chemikalien oder Gase für die Partikelsynthese bzw. Während der Prozesse werden verschiedene umweltschädliche Verschmutzungen erzeugt, wie z. B. organische, saure, basische, Schwermetallionen und giftige Ätzgase.

ITO-Filme können mit Standard-Metallabscheidungstechnologie hergestellt und aufgrund ihrer Transparenz und geringen Kosten in Labor und Industrie als leitfähiges Substrat verwendet werden. Gaoet al. haben berichtet, dass ITO-Filme unter kathodischer Polarisation in NaOH-Lösung in Indium(In)-Punkte umgewandelt werden können [17].

In dieser Arbeit schlagen und verifizieren wir eine einfachere, schnellere und umweltfreundlichere Technologie, indem wir NDs auf der Glasoberfläche durch direkte Elektrolyse von ITO-Filmen in Wasser in einem Schritt erzeugen. Mit einem zusätzlichen photolithographischen Verfahren können ND-Arrays mit strukturierten mehreren getrennten Bereichen erstellt werden und so die gleichzeitige Bestimmung mehrerer Proben mit verschiedenen Molekültypen auf einem Substrat erreicht werden. Die Elektrolyse findet unter milden Bedingungen bei niedriger Spannung in Wasserumgebung/Medium statt.

Materialien und Methoden

Materialien und Reagenzien

ITO-Glas (1,1 mm dick) wurde von Luoyang Longqian Glass Co., Ltd. (Henan, China) mit einer ITO-Dicke von 25, 50, 100 und 200 nm bezogen, die dem Quadratwiderstand von 93,52, 31,05, 15,86 entspricht. bzw. 6,97 Ω/sq. Fluordotiertes Zinnoxidglas (FTO) (2,2 mm dick) wurde von Yaoke Photoelectric Co., Ltd. (Jiangsu, China) mit einer FTO-Dicke von 400 nm und einem Quadratwiderstand von 10,85  Ω/sq bezogen. Entionisiertes (DI) Wasser (18,25 mΩ cm bei 25 °C) wurde unter Verwendung eines Milli-Q Plus-Wasserreinigungssystems (Sichuan Wortel Water Treatment Equipment Co., Ltd., Sichuan, China) hergestellt. Zur Reinigung von ITO-Glas wurden Ethanol (Damao Chemical Reagent Factory, Tianjin, China) und Aceton (Zhiyuan Chemical Reagent Co., Ltd., Tianjin, China) verwendet. Photoresist SUN-120P wurde von Suntific Microelectronic Materials Co., Ltd. (Shandong, China) zum Strukturieren von ITO bezogen. 4-Methylbenzolthiol (4-MBT, 98%), Natrium-2-mercaptoethansulfonat (MESNa, 98,0%) und Dopaminhydrochlorid wurden alle von Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) bezogen. Rhodamin 6G (R6G, 98,5%) wurde von J&K Scientific (Beijing, China) bezogen. Kaliumhydroxid (KOH, GR 95 %) und Melamin (99 %) wurden von Aladdin (Shanghai, China) bezogen. D-(+)-Glucose (99%) wurde von Alfa Aesar (Shanghai, China) bezogen. Methylenblau (AR), Harnstoff (AR, 99,0%) und Phosphorsäure (AR, 85%) wurden von Damao Chemical Reagent Factory (Tianjing, China) bezogen. Formaldehydlösung (AR, 37–40%), Natriumdihydrogenphosphat-Dehydrat (AR, ≥ 99,0%) und Dinatriumhydrogenphosphat-Dodecahydrat (AR, ≥ 99,0%) wurden von Guangzhou Chemical Reagent Factory (Guangzhou, China) bezogen. Alle Chemikalien wurden wie erhalten verwendet.

Elektrolyse von ITO-Film in Wasser

Ein ITO-Glassubstrat wurde zuerst geschnitten und nacheinander in Aceton, Ethanol und DI-Wasser gereinigt, wobei jeder Prozess 15 min dauerte, und dann gründlich mit DI-Wasser gespült und unter Verwendung von Stickstoff getrocknet. Abbildung 1 zeigt das Schema des Herstellungsprozesses. Als Elektrolysemedium wurde ein Tröpfchen DI-Wasser auf die ITO-Oberfläche getropft. Ein Wolfram-(W)-Draht wurde in das Tröpfchen eingeführt und mit der positiven Elektrode verbunden, und ein ITO-Film wurde mit der negativen Elektrode eines Stromversorgers (PSW800-1.44, GWINSTEK, Taiwan, China) verbunden, wie in 1a gezeichnet. Beim Anlegen einer Spannung über das Wasser wurde ITO elektrolysiert, um In-NDs innerhalb des Wassermediumbereichs zu bilden (Abb. 1b).

Schema der In-NDs-Bildung aus der Elektrolyse eines ITO-Films. a Ausgangszustand eines auf einem ITO-Film stehenden Wassertropfens ohne Anlegen einer Spannung. b Bildung von NDs auf der mit Wasser bedeckten Fläche beim Anlegen einer Spannung. c REM-Aufnahme der intakten ITO-Filmoberfläche entsprechend a . d SEM-Bild der gebildeten NDs entsprechend b (angelegte Spannung von 150 V für 1,5 min bei einer ITO-Filmdicke von 25 nm). e XRD-Spektren des ITO-Films vor und nach der Elektrolyse. f TEM-Bild der erhaltenen In NDs

Darüber hinaus kann ein ITO-Film leicht auf verschiedene Bereiche im Mikrometer- bis Zentimeterbereich gemustert werden. Ein ITO-Film kann auch zu einem Array mit verschiedenen isolierten Bereichen, bestehend aus NDs, strukturiert werden, um mehrere funktionale Bereiche auf einem Substrat zu erreichen. Dies ist sehr wichtig für Hochdurchsatz-/Mehrfachdetektionsgeräte. Um gemusterte ND-Arrays zu bilden, 3,5 × 3,5 cm ² Die ITO-Glasoberfläche wurde mit einem photolithographischen Verfahren strukturiert, um quadratische Bereiche zu trennen. Anschließend wurden ein gitterförmiges ITO-Substrat und ein flaches ITO-Substrat Face-to-Face zu einem parallelen Bauteil verbunden, das mit einem 200 µm dicken Presskleberahmen versiegelt und mit DI-Wasser gefüllt wurde. Die flachen und gemusterten ITOs wurden mit den positiven bzw. negativen Elektroden eines Stromversorgers verbunden. Diese Methode war sehr gut geeignet für die Herstellung von großflächigen und gemusterten ND-Arrays.

SERS-Messungen

Durch Abstimmung der angelegten Spannung, der Elektrolysezeit und der ITO-Filmdicke konnten die Größe und Dichte der NDs variiert werden. Gebildete NDs waren typischerweise Dutzende bis Hunderte von Nanometern eng angeordnet und bildeten Nanolücken. Ein SERS-Substrat wurde dann durch Abscheiden einer dünnen Schicht aus Ag (PD400, Wuhan PDVACUUM Technologies Co., Ltd., Wuhan, China) erhalten.

Um die Empfindlichkeit eines solchen SERS-Substrats zu charakterisieren, wurden Raman-Spektren unter Verwendung eines Renishaw inVia Raman-Mikroskops (Renishaw 42 K846, Renishaw Co., Ltd., UK) gemessen. Ein SERS-Substrat wurde 1 h in die Analytlösung getaucht und dann 1 min gründlich mit dem entsprechenden Lösungsmittel gespült und mit reinem Stickstoffgas getrocknet. Getrocknetes SERS-Substrat wurde dann für Messungen auf den Tisch des Raman-Mikroskops gelegt. Ein 532 nm Laser mit einer Leistung von ~0,14 mW wurde durch eine × 50 Objektivlinse (numerische Apertur, NA =0,5, Leica) auf die Probe fokussiert. Der Durchmesser des Laserflecks auf dem Substrat betrug 1,30 µm. Die elastisch gestreute Laseranregung wurde mit einem Kantenfilter entfernt. Jedes Raman-Spektrum wurde mit 10 s Akkumulationszeit gesammelt.

Um die Vielseitigkeit und den schnellen Nachweis zu bewerten, wurden neun Sondenmoleküle von 4-MBT, R6G, Dopaminhydrochlorid, Harnstoff, Formaldehyd, Methylenblau, MESNa, d-(+)-Glucose, Melamin ausgewählt, um das vorbereitete SERS-Substrat für gleichzeitige Bestimmung mehrerer Moleküle. 4-MBT und Methylenblau wurden in Ethanol gelöst. MESNa wurde in DI-Wasser mit einem pH-Wert von 2,7, eingestellt durch die Phosphatpufferlösung, gelöst. d-(+)-Glucoselösung wurde unter Verwendung einer Phosphatpufferlösung mit einem pH von 7,5 hergestellt. Alle übrigen Probenlösungen wurden durch Auflösen in DI-Wasser hergestellt. Für jede Messung wurde ein Tröpfchen von 3,0 µl hergestellter Lösung schnell auf das Substrat getropft und das Raman-Spektrum wurde sofort aufgenommen. Die Analytkonzentrationen betrugen 10 ^-4 , 5 × 10 ^-11 , 10 ^-3 , 0,5, 10 ^-3 , 10 ^-5 , 10 ^-2 , 1 und 10 ^-2 M für 4-MBT-Ethanollösung, wässrige R6G-Lösung, Dopaminhydrochloridlösung, wässrige Harnstofflösung, Formaldehydlösung, Methylenblau-Ethanollösung, MESNa-Lösung, d-(+)-Glukoselösung bzw. wässrige Melaminlösung. Alle Messungen wurden sofort mit dem Raman-Instrument (Finder Insight, Zolix Instruments Co., Ltd., Peking, China) mit einem Anregungslaser von 532 nm Wellenlänge und 2,5   mW Leistung durchgeführt. Der Laserstrahl mit einem Durchmesser von 10 µm wurde durch ein 50 × 50-Objektiv (NA =0,55) auf die Probe fokussiert. Jedes Raman-Spektrum wurde für 0,3 s/Zeit gesammelt, mit 10-facher Akkumulation.

Andere Charakterisierungen

Die Morphologien des hergestellten Substrats wurden unter Verwendung einer Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-REM) (ZEISS-Ultra 55, Carl Zeiss AG, Deutschland) bei einer Beschleunigungsspannung von 5 kV charakterisiert. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)-Messungen wurden unter Verwendung eines JEM-2100-Mikroskops (JEM-2100HR, JEOL, Japan) durchgeführt. Die Nanopunkte (Nanopartikel) wurden abgekratzt und in DI-Wasser dispergiert. Die chemische Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines energiedispersiven Spektroskops (EDS) mit FE-SEM und einer Röntgenbeugung (XRD) (X'Pert PRO, PANalytical, Niederlande), ausgestattet mit einer Cu Ká-Strahlungsquelle, bei einer Abtastrate analysiert von 0,04°/s und der Beugungswinkel (2θ ) von 20 bis 65°. Das Absorptionsspektrum wurde im Wellenlängenbereich von 440–650 nm mit einem Spektrometer (USB 2000+, Ocean Optics, USA) aufgenommen.

Ergebnisse und Diskussion

Bildung von Nanopunkten durch Elektrolyse von ITO-Film in Wassermedium

ITO-Filme als transparente leitfähige Substrate wurden weithin in optoelektronischen Geräten wie Lichtemissionsvorrichtungen (LED) [18], Displays [19] und Solarzellen [20] verwendet. Im Allgemeinen ist ITO-Korrosion schädlich für Anwendungen in elektronischen Geräten. Hier hingegen nutzen wir die durch Elektrolysereaktionen induzierte ITO-Korrosion zur Bildung dicht gepackter NDs und werden für SERS-Anwendungen verwendet. Das Schema der elektrolyseinduzierten ND-Bildung ist in Abb. 1a, b gezeigt. Die Oberfläche des ITO-Films war vor der Elektrolyse flach und transparent (Abb. 1c). Im Allgemeinen besteht ITO aus In₂ O₃ und SnO₂ in unterschiedlichem Verhältnis. EDS wurde durchgeführt, um die Zusammensetzung von ITO zu charakterisieren, wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S1 gezeigt. Nach einer Zeit der Elektrolysereaktion wurde die ITO-Oberfläche nach dem Trocknen durchscheinend und gelb. Durch SEM charakterisiert, fanden wir, dass sich dicht gepackte NDs auf der Glasoberfläche auf der Glasoberfläche bildeten (Abb. 1d). Die XRD-Messung in Fig. 1e zeigt, dass nach der Elektrolyse drei neue Peaks auftraten, die den Kristallebenen (101), (002) und (110) des In-Elements entsprechen. Die Spitzen von ITO wurden jedoch niedriger. Das TEM-Bild in Abb. 1f bestätigt, dass die gebildeten NDs aus In-Material bestehen.

Der ITO-Film ist ein Metalloxidmaterial mit sowohl kristalliner als auch amorpher Morphologie mit typischerweise nanoskaliger Oberflächenrauhigkeit [21]. Es wurde berichtet, dass ITO durch NaOH korrodiert werden kann, um In-Nanopartikel zu bilden [17]. Wenn über den ITO-Film eine Spannung angelegt wird, werden Elektronen zwischen Kathode und Anode übertragen. Daher können die elektrochemischen Reaktionen an Kathode und Anode durch Gl. (1) und (2):

Daher kann der ND-Bildungsprozess in Abb. 2 veranschaulicht werden. Zu Beginn ist die Elektrolysereaktion über die ITO-Oberfläche homogen. Der ITO-Film ist jedoch nicht perfekt homogen, wobei die Filmdickenvariation gemäß dem normalen ITO-Herstellungsverfahren, insbesondere bei amorphen ITO-Filmen, bestand [22]. Daher wird mit der Zeitentwicklung die dünnere Fläche schneller verbraucht, um Defekte entsprechend der höheren elektrischen Feldstärke und geringeren Dicke zu bilden. Nach Erreichen der Sättigungskonzentration im Wasser beginnen sich reduzierte In-Atome zu akkumulieren, um NDs auf der Oberfläche zu bilden. Während der Elektrolyse konnte nach einiger Zeit eine deutliche Transparenz und Farbänderung beobachtet werden. Aufgrund des Grenzflächenspannungseffekts während eines Entnetzungsprozesses wurde eine große Menge an NDs auf der Oberfläche gebildet. Ein solches Verfahren, das keine speziellen Behandlungen und Chemikalien erfordert, wird im Medium Wasser mit angelegter Spannung realisiert und kann daher als umweltfreundliche Technologie angesehen werden.

Schematische Darstellung des Bildungsprozesses von In NDs durch Elektrolyse von ITO-Film

Elektrolyseparameter:Reaktionszeit, angelegte Spannung und ITO-Filmdicke

Größe und Dichte der NDs hängen mit der ITO-Filmdicke und der Reaktionskinetik zusammen [23]. In dieser Arbeit wurden die effektiven Faktoren Reaktionszeit, angelegte Spannung und ITO-Filmdicke untersucht, um den ND-Bildungsprozess herauszufinden. Auf diese Weise konnten experimentelle Parameter optimiert werden, um SERS-Substrat mit hoher Empfindlichkeit herzustellen. Abbildung 3a zeigt die SEM-Bilder der erhaltenen NDs auf dem Glas (25 nm dickes ITO) bei einer angelegten Spannung von 150  V bei unterschiedlichen Reaktionszeiten. Es zeigt offensichtlich den sequentiellen Bildungsprozess von einem kontinuierlichen ITO-Film (Abb. 1c) zu kleinen NDs, die in den Film eingebettet sind, rauen NDs, glatten NDs und stehenden und getrennten NDs, wie in den Bildern in Abb. 3a von links nach rechts gezeigt , bzw. Diese allmähliche Veränderung der Morphologie und Größe kann durch die Elektrolysereaktion des ITO-Films und den diffusionskontrollierten ND-Bildungsprozess verstanden werden.

Herstellung von NDs unter verschiedenen experimentellen Bedingungen durch Variation von a Reaktionszeit, bei einer konstanten angelegten Spannung von 150 V und einer ITO-Filmdicke von 25 nm, b angelegte Spannung, bei konstanter ITO-Filmdicke von 25 nm und Reaktionszeit von 1,5 min und c ITO-Filmdicke, bei konstanter angelegter Spannung von 150 V und Reaktionszeit von 1,5 min

Anfänglich begann der ITO-Film auf der Filmoberfläche zu reagieren. Typischerweise ist die elektrische Feldstärke über den dünneren Bereich höher; daher ist die anfängliche Reaktionsgeschwindigkeit höher. Folglich würden sich auf dem kontinuierlichen Film aus den dünnen Punkten (Bereich) Defekte bilden, in denen sich die erzeugten In-Atome zu NDs ansammelten. In diesem Stadium befanden sich noch gebildete kleine NDs in den Defektbereichen, die von dem ITO-Film umgeben waren. Mit zunehmender Reaktionszeit wurde der größte Teil des ITO-Materials reduziert, um In-NDs auf der Oberfläche zu bilden. Als die Reaktionszeit 0,5 min erreichte, wurde eine große Menge an NDs gebildet, die in den ITO-Film eingebettet wurden. Wenn die Reaktionszeit auf 1.5 min anstieg, nahmen die Größe und Dichte der NDs zu und die Lücke zwischen den NDs verringerte sich. Durch eine weitere Erhöhung der Reaktionszeit auf 3.0 und 5.0 min wurden die erhaltenen NDs größer und runder, und auch die Lücke zwischen den NDs nahm zu. Elektrische Messungen zeigten, dass die ND-Bereiche nicht elektrisch leitend waren. Dies bedeutet, dass isolierte NDs ohne kontinuierliche Verbindung erhalten wurden. Aus den REM-Bildern in Abb. 3a konnten wir beobachten, dass die gebildeten NDs bei einer Reaktionszeit von 1.5 min eine relativ einheitliche Größe haben und eng angeordnet sind. Eine kleinere Lücke bedeutet normalerweise eine stärkere elektromagnetische Verstärkung. Daher wurde 1,5 min ausgewählt, um die SERS-Proben für weitere Experimente vorzubereiten.

Anschließend untersuchten wir den Einfluss der angelegten Spannung auf die Größe und Dichte der gebildeten NDs. Für dieses Experiment wurde ein ITO-Glas mit einem 25 nm dicken ITO gewählt und eine Elektrolysereaktion bei unterschiedlicher angelegter Spannung für 1,5 min durchgeführt. Wie in Fig. 3b gezeigt, nahm die Dichte der gebildeten NDs mit der angelegten Spannung zu. Bei einer niedrigen Spannung von 50 und 100 V war die Menge an gebildeten NDs gering; und daher war seine Dichte in demselben Gebiet gering, da es offensichtlich voneinander getrennt war. Wenn die angelegte Spannung auf 150 und 200   V erhöht wurde, wurden mehr NDs gebildet, die eng angeordnete Muster zeigten. Einheitliche Größe und hohe Dichte sind für die Aufnahme reproduzierbarer Raman-Spektren mit hoher Empfindlichkeit unerlässlich. Somit wurde die optimale angelegte Spannung für die SERS-Substratvorbereitung auf 150  V eingestellt.

Abbildung 3c zeigt die REM-Bilder von NDs, die aus 25, 50, 100 und 200 nm ITO-Filmen durch Elektrolysereaktion bei 150 V für 1,5 min gebildet wurden. Im Fall eines 25-nm-ITO-Films wurden im Vergleich zu anderen drei ITO-Filmen mit einer Dicke von 50, 100 und 200 nm eine höhere Dichte und gleichmäßigere NDs beobachtet. Wie berichtet, beeinflussen die Oberflächenrauheit und der spezifische Widerstand leitfähiger Substrate ihre Kristallinität [22]. Typischerweise nimmt die Oberflächenrauheit mit der Filmdicke zu. Gleichmäßigere NDs von dünneren ITO-Filmen wurden den flacheren Oberflächen mit weniger Defekten zugeschrieben. Daher zeigte der dünnste ITO-Film die geringste Rauheit, was zu den gleichmäßigsten NDs führte. Andererseits würde der spezifische Widerstand von ITO-Filmen den anfänglichen In-ND-Bildungsprozess beeinflussen. Der quadratische Widerstand betrug 93,52, 31,05, 15,86 und 6,97 /sq für die ITO-Filmdicke von 25, 50, 100 bzw. 200 nm. Dies bedeutet, dass bei derselben angelegten Spannung ein geringer elektrischer Strom über den dünnen ITO-Film erhalten wurde. Als Ergebnis wurde eine langsame und milde Reaktion auf einem dünnen Film erreicht. Dies stimmt mit dem experimentellen Ergebnis überein, dass aus den dünneren ITO-Filmen gleichförmigere NDs mit höherer Dichte gebildet wurden. Gemäß diesen Ergebnissen wurden die experimentellen Parameter zur Herstellung der NDs für die SERS-Anwendung ausgewählt, um eine ITO-Filmdicke von 25 nm, eine angelegte Spannung von 150 V und eine Elektrolysereaktionszeit von 1,5 mm zu sein. Darüber hinaus wurde die FTO-Folie auch für die Elektrolyse verwendet. Wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S2 gezeigt, nach der Elektrolyse gebildete Mikro- und Nanopartikel. Dies könnte darauf hindeuten, dass eine solche Elektrolysereaktion auch für andere Metalloxidfilme unter verschiedenen Bedingungen und Potenzialen für andere Anwendungen anwendbar ist.

SERS-Charakterisierung

Um den SERS-Effekt des hergestellten Substrats mit NDs hoher Dichte zu bewerten, wurde 4-MBT aufgrund seiner geringen Menge an gut charakterisierten Peaks und seines großen Raman-Querschnitts als Sondenmolekül ausgewählt [24]. Auf dem erhaltenen Substrat (hergestellt unter den optimierten Bedingungen wie oben erwähnt) wurde eine dünne Ag-Schicht mit NDs hoher Dichte abgeschieden. SEM-Bilder in Additional file 1:Abbildung S3a–c zeigen die Morphologien von Ag-bedeckten NDs bei einer Ag-Schichtdicke von 30, 77 bzw. 160 nm. Durch Variieren der Ag-Schichtdicke verringerten sich die Lücken zwischen den NDs. Die höchste durchschnittliche Raman-Intensität wurde bei einer Ag-Dicke von 77 nm erhalten (Zusatzdatei 1:Abbildung S3d).

Abbildung 4a, b zeigt die detaillierte SERS-Charakterisierung auf dem Substrat mit In-NDs, die unter den optimierten Bedingungen hergestellt und mit 77 nm abgeschiedenem Ag bedeckt wurden. Die Referenzprobe wurde durch direktes Abscheiden eines 77-nm-Ag-Films auf einem ITO-Glas (25 nm) hergestellt. Das Raman-Signal war auf dem ND-SERS-Substrat im Vergleich zum Referenzsubstrat signifikant verstärkt. Die beiden wichtigsten charakteristischen Peaks für 4-MBT-Moleküle bei 1079 und 1594 cm ^-1 wurden auf dem ND-SERS-Substrat deutlich beobachtet. Die 1079 cm ^-1 Peak repräsentiert eine Kombination aus dem Phenylring-Atmungsmodus, der C-H-Biegung in der Ebene und der C-S-Streckung. Der Peak bei 1594 cm ^-1 kann einer Phenylstreckbewegung (8a Schwingungsmodus) zugeschrieben werden [25].

a Raman-Spektren von 10 ^-4 M 4-MBT auf einem SERS-Substrat mit unter optimierten Bedingungen hergestellten NDs. b 10 Raman-Spektren von 10 ^-4 M 4-MBT, gesammelt auf einem SERS-Substrat durch zufälliges Bewegen des Substrats auf dem Tisch des Raman-Instruments. c Raman-Spektren von 5 × 10 ^-7 M R6G auf einem vorbereiteten SERS-Substrat. d Raman-Spektren von R6G mit Konzentrationen von 5 × 10 ^-12 , 5 × 10 ^-11 , 5 × 10 ^-10 , 5 × 10 ^-9 , 5 × 10 ^-8 , und 5 × 10 ^-7 M auf SERS-Substraten. Das Referenzsubstrat wurde durch Abscheiden von 77 nm Ag auf einem blanken ITO (25 nm) Film hergestellt.

Um die relative Homogenität über einen großen Bereich des präparierten ND-SERS-Substrats zu untersuchen, wurden 10 Messungen auf demselben Substrat durch zufälliges Bewegen der Probe auf dem Tisch des Raman-Instruments durchgeführt. Abbildung 4b zeigt die gemessenen Raman-Spektren, die relativ konsistente Signalintensitäten für jeden charakteristischen Peak des 4-MBT nahelegen. Die relative Standardabweichung (RSD) der Raman-Intensität bei 1594 cm ^-1 betrug etwa 4,1 %, was die hohe Signalreproduzierbarkeit des SERS-Substrats anzeigt, das mit diesem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt wurde.

Darüber hinaus wurde R6G auch ausgewählt, um die Zuverlässigkeit und Empfindlichkeit des SERS-Substrats zu demonstrieren. Abbildung 4c zeigt die Raman-Spektren, die auf einem ND-SERS-Substrat wie vorbereitet und einem Ag-Referenzfilm gemessen wurden. Die charakteristischen Peaks von R6G wurden bei 614, 771, 1187, 1362, 1507, 1571 und 1648 cm ^-1 . beobachtet . Die Spitzen bei 614, 771 und 1187 cm ^-1 werden C-C-C-Ring-In-Plane-Biegung, C-H-Out-of-Plane-Biegung bzw. C-O-C-Streckschwingungen zugeschrieben. Und die Spitzen bei 1362, 1507, 1571 und 1648 cm ^-1 sind mit aromatischen C–C-Streckschwingungen assoziiert [26].

Abbildung 4d zeigt die Raman-Spektren auf einem so hergestellten ND-SERS-Substrat in wässriger R6G-Lösung mit Konzentrationen im Bereich von 5 × 10 ^-12 bis 5 × 10 ^-7 Die M. Raman-Intensitäten von R6G nahmen offensichtlich mit der Abnahme der R6G-Konzentration ab. Die charakteristischen Peaks von R6G konnten selbst bei einer R6G-Konzentration von nur 5 × 10 ^-12 . noch klar identifiziert werden M, was die hohe Empfindlichkeit des hergestellten ND-SERS-Substrats anzeigt. Um den SERS-Effekt von präpariertem ND-Substrat quantitativ zu charakterisieren, haben wir den Verstärkungsfaktor (EF) berechnet. Die Raman-Spektren von reinen Pulvern von 4-MBT und R6G (Zusatzdatei 1:Abbildung S4) und die detaillierten Informationen zur EF-Berechnung (Zusatzdatei 1:Abbildung S5) sind in den Zusatzinformationen dargestellt. EFs für 4-MBT und R6G wurden mit 1,12 × 10 ⁶ . berechnet und 6,79 × 10 ⁵ an ihren charakteristischen Raman-Peaks von 1079 und 1648 cm ^-1 , bzw. Darüber hinaus wurden auch Moleküle mit kleinerem Raman-Querschnitt von MESNa [27] für die SERS-Messung verwendet, wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S6 gezeigt, die den zuverlässigen SERS-Effekt demonstriert.

Im Allgemeinen kann die SERS-Verstärkung durch elektromagnetische (EM) und chemische (CM) Effekte beigetragen werden [28]. Zusätzliche Datei 1:Abbildung S7 zeigt das Absorptionsspektrum eines ND-Substrats, das mit einem 77-nm-Ag-Film beschichtet ist. Das Referenzsubstrat wurde durch Abscheiden von 77 nm Ag auf einem blanken ITO (25 nm) Film hergestellt. Das NDs-Substrat wurde unter den optimierten experimentellen Parametern einer ITO-Filmdicke von 25 nm, einer angelegten Spannung von 150 V und einer Elektrolyse-Reaktionszeit von 1,5 mm hergestellt. Wenn die Anregungswellenlänge gleich oder nahe dem Peak der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) ist, findet die elektromagnetische plasmonische Kopplung statt und induziert eine starke SERS-Verstärkung [29]. Der SPR-Peak des NDs-SERS-Substrats liegt bei ~ 453 nm (zusätzliche Datei 1:Abbildung S7), was nahe der in unserem Experiment verwendeten Anregungswellenlänge von 532 nm liegt; Daher resultiert die SERS-Verstärkung hauptsächlich aus der elektromagnetischen Verstärkung gemäß den „Hotspots“ aus den Lücken zwischen den NDs. Um die EM-Verstärkung weiter zu untersuchen, wurde eine Finite-Difference-Time-Domain-Simulation (FDTD) durchgeführt, um das elektrische Feld in den Zwischenräumen von NDs zu untersuchen. Die Ergebnisse des relativen elektrischen Gesamtfeldes sind in Zusatzdatei 1 dargestellt:Abbildung S8. Simulationsergebnisse zeigen, dass die elektrische Feldverstärkung hauptsächlich an den Lücken zwischen den NDs auftritt. Der maximale Faktor von 3,0 stellt eine Feldverstärkung |E| ² . dar von 10 ³ entspricht einem EF von 10 ⁶ , was gut mit den experimentellen Ergebnissen übereinstimmt (1,12 × 10 ⁶ bei 1079 cm ^-1 für 4 MBT und 6,79 × 10 ⁵ bei 1648 cm ^-1 für R6G).

Darüber hinaus sind die Halbleitermaterialien (In₂ O₃ , SnO₂ , TiO₂ ) wurde berichtet, dass sie das SERS-Signal durch Ladungstransfer zwischen den Molekülen und Materialien verstärken (z. B. R6G und Übergangsmetalloxide, 4-Mercaptobenzoesäure (4-MBA)/4-Nitrobenzolthiol (4-NBT) und SnO₂ ), die mit CM verwandt ist [28, 30, 31, 32, 33]. ITO besteht aus In₂ O₃ und SnO₂ in unterschiedlichem Verhältnis. Nach der ITO-Elektrolyse im Wassermedium werden die In-NDs aufgrund der elektrochemischen Reduktionsreaktion gebildet; und gleichzeitig konnten die Peaks von ITO immer noch offensichtlich beobachtet werden, wie in Fig. 1e gezeigt. Um zu untersuchen, wie stark die CM-Verbesserung von In₂ . ist O₃ /SnO₂ -zu-Molekül-Ladungstransfer trug zum erhaltenen SERS-Effekt bei, den Raman-Spektren von 10 ^-4 M 4-MBT und 5 × 10 ^-7 M R6G auf dem ITO-Glas, das Substrat der NDs nach der ITO-Elektrolyse, das mit einem 77-nm-Ag-Film beschichtete ITO-Glas und das mit einem 77-nm-Ag-Film beschichtete NDs-Substrat wurden gemessen (zusätzliche Datei 1:Abbildung S9). Das Substrat der NDs wurde unter den optimierten experimentellen Parametern einer ITO-Filmdicke von 25 nm, einer angelegten Spannung von 150 V und einer Elektrolyse-Reaktionszeit von 1,5 min hergestellt. Die charakteristischen Raman-Peaks von 4-MBT und R6G waren auf dem ITO-Glas, dem NDs-Substrat nach der ITO-Elektrolyse und dem mit Ag-Film beschichteten ITO-Glas schwer zu unterscheiden; jedoch wurden die offensichtlichen Raman-Peaks von 4-MBT und R6G auf einem mit einem Ag-Film beschichteten NDs-Substrat beobachtet. Somit ist die CM-Erweiterung von In₂ O₃ /SnO₂ -zu-Molekül-Ladungstransfer wird als schwach angesehen und ist im Vergleich zur EM-Verstärkung vernachlässigbar. Der stark verstärkte SERS-Effekt wird hauptsächlich von der elektromagnetischen Verstärkung zwischen den Lücken zwischen In NDs beigetragen.

Gemusterte ND-Arrays für die gleichzeitige SERS-Charakterisierung verschiedener Proben auf einem Substrat

Wie in der vorherigen Sitzung demonstriert, könnte diese Methode die NDs leicht durch eine einfache und schnelle Elektrolysereaktion auf einem nanoskaligen ITO-Film erzeugen. Darüber hinaus kann ein ITO-Film gemustert werden, indem der Film teilweise geschützt oder segmentiert wird, wodurch Arrays auf einem Substrat gebildet werden, wie schematisch in Fig. 5a gezeigt. Drei 3,5 × 3,5 cm ² Substrate wurden auf 1 × 1, 3 × 3 und 5 × 5 SERS-Bereiche strukturiert, wie in Fig. 5b gezeigt. Da die ITO-Fläche für die Elektrolysereaktion im Vergleich zur Tröpfchenelektrolyse vergrößert wurde, nimmt die Gesamtladungszahl während der Elektrolyse zu, was zu einer Stromerhöhung und einer Verringerung des Widerstands führt. Gemäß der Strombegrenzung des Stromversorgers von 1,512 A wurde die maximale Ausgangsspannung von ~ 75 V für die In-NDs-Präparation in den strukturierten parallelen Zellen angelegt. Die Elektrolysezeit wurde untersucht, wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S10 demonstriert. Die ND-Arrays mit der höchsten Dichte und Einheitlichkeit wurden bei einer Reaktionszeit von 5,0 min erhalten. Hier wurden die optimierten Parameter einer ITO-Filmdicke von 25 nm, einer angelegten Spannung von 75 V und einer Elektrolysereaktionszeit von 5,0 min für die Herstellung des großflächigen SERS-Substrats mit strukturierten ND-Arrays verwendet. Die 50 × 50 μm ² square ND arrays with gap distance of about 5.0 μm have been achieved, as shown in Additional file 1:Figure S11.

a Schematic of patterning an ITO film to an array with multiple isolated areas containing NDs. b Images of the 1 × 1, 3 × 3, and 5 × 5 SERS arrays patterned from three 3.5 × 3.5 cm ² ITO-glass substrates

A substrate with 3 × 3 areas prepared under the optimized conditions was used as a SERS substrate for multiple sample detection. As illustrated in Fig. 6a, 9 individual droplets (3.0 μL for each) containing 9 different analytic solutions were dripped at the patterned 9 areas. The selected 9 analytes 4-MBT [25], R6G [26], dopamine hydrochloride [34], urea [35], formaldehyde [36], methylene blue [37], MESNa [38, 39], d-(+)-Glucose [40], and melamine [41] were placed on the substrate as marked as samples 1 to 9, respectively. As seen from Fig. 6b, all 9 molecules show obvious Raman characteristic peaks. This has proven that the concept of using one substrate for simultaneously detection of various samples on one substrate.

a Schematic of 9 sample droplets containing 9 different probe molecules being detected on one substrate with a 3 × 3 SERS arrays. b Raman spectra of the 9 probe molecules on each SERS area of the 3 × 3 arrays

Schlussfolgerungen

In summary, we have proposed and validated a simple, quick, and cheap method for fabricating NDs as SERS substrates on large-area surface with patternable structures. The formation of NDs was based on electrolysis of ITO film in water medium. The factors of electrolysis time, applied voltage, and ITO film thickness determined the ND size and density. Well-distributed NDs with size in the range of 50–60 nm have been obtained by electrolysis a 25-nm-thick ITO film at an applied voltage of 150 V for 1.5 min (droplet electrolysis). The fabricated ND substrate has been evaluated by its SERS effect after depositing ~ 77 nm Ag, using various probe molecules. Reproducible and sensitive Raman spectra have been obtained for 4-MBT and R6G with EFs of ~ 1.12 × 10 ⁶ and ~ 6.79 × 10 ⁵ , bzw. Moreover, combined with photolithography, a 3.5 × 3.5 cm ² substrate could be patterned with 1, 9, or 25 SERS areas, for which multiple sample detection could be achieved simultaneously on one substrate with just one droplet of each analytic solution. This is highly required for quick qualification of specific molecules for on-site application situations like POCT, environmental monitoring, and airport security check. Such a technology shows advantages of easy fabrication under mild conditions, being patternable to form arrays on a large surface, and being integratable with microfluidics for high throughput optofluidic applications.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

All data generated or analyzed during this study are included in this article.

Abkürzungen

4-MBA:

4-Mercaptobenzoic

4-MBT:

4-Methylbenzenethiol

4-NBT:

4-Nitrobenzenethiol

CM:

Chemical effect

DI:

Deionized

EDS:

Energy dispersive spectroscope

EF:

Enhancement factor

EFs:

Enhancement factors

EM:

Electromagnetic effect

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz

FE-REM:

Field emission-scanning electron microscopy

FTO:

Fluordotiertes Zinnoxid

In:

Indium

ITO:

Indium tin oxide

KOH:

Potassium hydroxide

LED:

Light emission device

MESNa:

Sodium 2-mercaptoethanesulfonate

ND:

Nano-dot

POCT:

Point-of-care technology

R6G:

Rhodamine 6G

RSD:

Relative Standardabweichung

SERS:

Surface-enhanced Raman scattering

SERS:

Surface-enhanced Raman spectroscopy

SPR:

Surface plasmon resonance

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

W:

Wolfram

XRD:

Röntgenbeugung