pH 반응성 폴리아크릴로일 히드라진 캡핑 Ag 나노입자 기반의 새로운 스마트 표면 강화 라만 산란 센서

초록

SERS(Surface-Enhanced Raman Scattering) 기판으로서 처음으로 새로운 pH 반응성 Ag@polyacryloyl hydrazide(Ag@PAH) 나노입자를 환원제와 말단 캡핑 시약 없이 제조했습니다. Ag@PAH 나노입자는 pH=4 ~ pH=9 범위에서 우수한 조정 가능한 검출 성능을 나타냈습니다. 이는 반응성 PAH의 팽창-수축 거동이 외부 pH 자극 하에서 Ag 나노입자와 표적 분자 사이의 거리를 제어할 수 있음을 설명하고, 조정 가능한 LSPR 및 추가 제어 SERS가 생성됩니다. 또한 Ag@PAH 나노 입자는 초고감도 검출 능력을 보유하고 있으며 Rhodamine 6G의 검출 한계는 10⁻¹² 으로 감소했습니다. M. 이러한 장점은 Ag@PAH NP를 추적 분석 및 센서 분야에서 유망한 스마트 SERS 기판으로 인증했습니다.

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배경

표면 강화 라만 산란(SERS)은 표적 분자의 진동 정보를 통해 분자 구조를 식별하는 강력한 분광 도구입니다[1]. SERS는 그 편리성과 극도로 민감한 분석으로 인해 DNA, RNA 및 암세포를 포함한 생물학적 분자를 탐지하는 이상적인 접근 방식으로 인식되었습니다[2]. SERS 기술은 향상된 전자기(EM)로 설명될 수 있다는 데 일반적으로 동의합니다[3]. EM의 영향 중 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance)이 핵심적이고 지배적인 역할을 합니다[4]. 타겟 분자가 인접한 금속 나노 입자 사이의 틈(소위 "핫 스팟")에 있을 때 입사광 조사 하에 금속 나노 입자가 LSPR을 생성하고 표면 전자기장이 증가하여 SERS의 신호가 향상됩니다. ,6,7]. 엄청난 향상으로 SERS의 높은 감도가 보장되므로 낮은 농도에서도 표적 분자의 특징적인 지문을 얻을 수 있습니다[8,9,10].

지금까지 SERS 분석 기술을 개발하기 위해 SERS의 감도를 향상시키기 위해 상당한 노력을 기울였습니다. 초고감도 SERS에 대한 성공적인 전략은 다양한 모양과 치수를 가진 금속 나노입자 기질에 의해 실현되었습니다[11]. 그러나 우리가 아는 한 제어 가능한 SERS 탐지에 대한 해당 보고서는 없습니다[12,13,14,15]. 따라서 조정 가능한 SERS를 개발하는 것은 고감도 SERS 및 바이오센서와 관련된 가장 큰 과제 중 하나가 될 것입니다. PAH(Polyacryloyl hydrazide)는 pH에 민감한 고분자로 다양한 생물의학 분야에 적용되고 있다[16]. PAH에 풍부한 히드라지드 작용기로 인해 PAH는 말단 캡핑 시약일 뿐만 아니라 금속 이온 전구체의 환원제 역할을 하여 Ag 나노 입자(NP)를 쉽게 제조할 수 있습니다[17]. 반응성 PAH의 팽윤-수축 거동은 외부 pH 자극 하에서 Ag NP와 표적 분자 사이의 거리를 제어하여 조정 가능한 LSPR 및 추가 제어된 SERS를 초래할 수 있습니다.

이 작업에서 pH 반응성 PAH 폴리머와 Ag NP를 결합하여 다른 시약 없이 Ag@PAH NP를 성공적으로 준비했습니다. 표적 분자인 로다민 6G(R6G)인 Ag@PAH NP는 처음으로 SERS 검출에 사용되었습니다. Ag NPs 표면의 PAH 폴리머의 반응성으로 인해 R6G/Ag@PAH NPs의 제어 가능한 SERS 효과는 pH 값을 조정하여 실현할 수 있습니다. 또한 Ag@PAH NP는 높은 감도와 재현성을 나타내므로 현장 응용 분야에서 생물학적 위험 또는 화학 시약 분석에 대해 탐색할 수 있습니다.

방법

Ag@PAH NPs의 준비된 과정의 그림은 그림 1에 나와 있습니다. 간단히 말해서, 250μL AgNO₃ 수용액(0.2mol/L)을 25mL PAH(자세한 내용은 ESI†) 수용액(2% w)에 첨가했습니다. /v ). 혼합물을 30°C에서 30분 동안 온화한 조건에서 교반했습니다. 생성된 적갈색 용액을 24시간 동안 탈이온수에 대한 투석으로 정제하고 원심분리에 의해 수집하고 탈이온수에 분산시켰다. 그런 다음 Ag@PAH NP 용액의 다른 pH 값을 0.1mol/L HCl 용액 또는 0.1mol/L NaOH 용액으로 조정했습니다.

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Ag@PAH NPs의 준비된 과정의 개략도

결과 및 토론

PAH 고분자는 각 반복단위에 hydrazide 그룹을 가지고 있어 금속 나노입자 제조에 효과적인 환원제 역할을 한다[18]. Ag⁺ 친전자성 치환, 히드라지드기 말단의 질소는 Ag@PAH 나노입자의 제조 과정에서 -CO-NH-NH- 및 Ag 나노입자를 형성하였다. 고해상도 투과 전자 현미경으로 우리는 Ag NP가 완전한 코어 쉘 구조를 가진 PAH 폴리머에 의해 완전히 캡슐화되었음을 발견했습니다. 우리는 또한 그림 2a에서 Ag NP의 평균 크기가 약 90nm인 것으로 추정했습니다. Ag@PAH NPs의 유체역학적 직경은 pH =9에서 192.6nm였고 pH 값이 4일 때 103.3nm로 감소했습니다(그림 2b). 또한 pH=9에서 102.6nm, pH=4에서 13.3nm인 Ag@PAH NP의 총계에서 Ag NP 직경을 빼서 PAH 쉘의 두께를 추가로 계산했습니다. 그 이유는 팽창과 PAH의 축소. PAH의 팽창 및 수축은 PAH 폴리머의 양성자화-탈양성자화 변화, 전하 반발 및 수소 결합 형성 능력의 시너지 효과에 기인합니다. 또한, Ag@PAH NPs는 UV-vis 스펙트럼에서 유사한 흡수 피크(약 423nm에서)를 나타내었고 그림 2c에서 pH 4에서 9까지의 범위에서 흡수 강도만 감소했습니다. 이것은 폴리머 쉘 층의 두께 증가가 Ag 나노입자의 광학적 특성을 변화시키지 않으면서 국부적인 표면 플라즈몬 공명의 확산을 방해할 것임을 나타냅니다.

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아 Ag@PAH 나노입자의 HRTEM 이미지 및 입자 크기 분포. ㄴ Ag@PAH NP의 유체역학적 직경의 pH 의존성. ㄷ Ag@PAH NPs의 UV-vis 흡수 스펙트럼의 pH 의존성

Ag@PAH NP의 SERS 성능은 R6G를 모델 대상 분석물로 사용하여 평가되었습니다. R6G 라만 신호를 향상시키는 Ag@PAH NPs의 기원을 이해하기 위해 PAH 폴리머 층의 영향을 구별하기 위해 비교 실험을 수행했습니다. 순수 R6G 용액, 순수 PAH 용액, 개별 Ag NP 및 Ag@PAH NP의 라만 신호를 비교했으며, 이들 모두는 그림 3a에서 동일한 농도를 가졌습니다. 순수한 R6G 솔루션의 신호(10⁻⁶ M) 상당히 약하다. Ag NP 또는 Ag@PAH NP를 기질로 추가한 후 주요 특성은 1311, 1363, 1509 및 1651cm⁻¹ 에서 피크 , 완벽하게 일치하는 R6G의 Ramam 스펙트럼이 분명히 향상되었습니다. 이것은 Ag NP와 Ag@PAH NP의 표면에 존재하는 R6G 분자의 놀라운 SERS 신호를 보여줍니다. 대조적으로, Ag NP가 없는 경우 개별 PAH 중합체에서 무시할 수 있는 SERS 신호가 관찰되었으며, 이는 PAH 중합체의 존재가 R6G 분자에 대한 SERS 효과에 영향을 미치지 않음을 시사합니다.

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아 Ag@PAH NPs 기판에서 R6G의 제조 SERS 공정의 개략도. ㄴ 다양한 pH 값에서 Ag@PAH NP를 사용하는 R6G의 조정 가능한 SERS 메커니즘에 대한 개략도

금속 셀/폴리머 쉘의 SERS 향상은 폴리머 쉘 두께에 매우 민감했으며, 이는 이론 및 실험 연구 모두에 의해 입증되었습니다. 우리는 그림 4a에서와 같이 다른 pH 값과 SERS 강화 신호 사이의 효과를 조사했습니다. R6G의 원래 신호와 비교하여 SERS 신호는 다양한 pH 조건에서 Ag@PAH NP의 존재하에 증폭되었습니다. 또한, 스펙트럼의 상대적인 SERS 강도는 pH 값이 증가함에 따라 떨어졌습니다. 이는 Ag@PAH 나노입자의 SERS 효과가 PAH의 쉘 두께에 민감함을 설명한다. PAH 쉘 층은 낮은 pH 값에서 수축하여 그림 3b와 같이 동일한 농도의 Ag@PAH NP에서 높은 pH 값보다 전자기장의 세기가 더 커졌습니다. 따라서 낮은 pH에서 Ag@PAH NP는 극도로 강화된 라만 신호를 유도하여 Ag@PAH NP를 SERS 기질로 조정할 수 있게 했습니다. 이 현상은 1509cm⁻¹ 의 라만 향상 계수(EF)를 계산하여 정량화되었습니다. Ag@PAH NP에 대한 피크(Eq. S1, ESI†). 다양한 pH 값에서 Ag@PAH NP의 EF는 0.8 × 10⁶ 으로 추정되었습니다. , 1.1 × 10⁶ , 1.5 × 10⁶ , 2.2 × 10⁶ , 3.3 × 10⁶ 및 4.3 × 10⁶ , 각각 그림 4b(자세한 내용은 ESI†). 다양한 pH 값에서 Ag@PAH NP의 EF는 모두 최대 10⁶ 으로 높았습니다. Ag@PAH NP가 미량 검출에서 효과적이고 지능적인 SERS 기판으로 사용될 수 있음을 보여주었습니다.

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아 다른 pH 값으로 흡착된 R6G의 SERS 스펙트럼. ㄴ Ag@PAH NP에 대한 R6G의 EF는 1509cm⁻¹ 에서 pH 값의 함수로 나타납니다. . ㄷ Ag@PAH NP에 흡착된 다양한 농도의 R6G의 SERS 스펙트럼. d 1509cm⁻¹ 에서 최대 강도의 관계 및 R6G의 농도(삽입 R6G의 대수 강도와 농도 사이의 선형 관계입니다.)

또한, 낮은 pH 값에서 Ag@PAH NP는 극도로 향상된 라만 신호를 유도하여 SERS 기질로서 Ag@PAH NP의 초감도를 보장했습니다. 따라서 다양한 농도에서 R6G의 일련의 SERS 스펙트럼(10⁻⁷ –10⁻¹² M)은 동일한 농도의 Ag@PAH NP를 추가하여 pH =4에서 추가로 측정되었습니다. 이 곡선의 신호를 비교하면 그림 4c에서 표적 분자의 농도를 희석함으로써 SERS 강도가 감소했습니다. 10⁻¹² 의 낮은 농도에서도 R6G의 특성 밴드가 명확하게 식별됩니다. M, Ag@PAH NP가 R6G에 대해 높은 감지 감도를 가지고 있음을 보여줍니다. 또한 R6G의 대수 농도와 지문 피크 강도(1509cm^-1 ) 도 4d에서. R6G의 농도 범위가 10⁻⁷ 일 때 ~ 10⁻¹² M, 선형 회귀 방정식은 y =5.9838 + 0.3228 log(x), 상관 계수는 0.9971(n =6). 분명히 저농도 영역에서는 테스트 농도가 감소함에 따라 SERS 강도가 감소했습니다. 이러한 결과는 Ag@PAH NP가 생물학적 위험 또는 화학 시약의 스마트한 극미량 검출에서 유망한 후보가 될 것임을 확인시켜주었습니다.

결론

요약하면, 우리는 처음으로 SERS 애플리케이션을 위한 원하는 기질로 pH 반응성 Ag@PAH NP를 활용했습니다. 쉘 층으로 pH 반응성 PAH 폴리머의 도입은 조정 가능한 SERS 효과를 초래하는 pH 자극 하에서 쉘 두께를 조정함으로써 Ag NPs에 제어 가능한 국부적 표면 플라즈몬 공명을 부여할 수 있다. 결과는 Ag@PAH NP가 R6G의 검출 한계가 10⁻¹² 으로 감소한 탁월한 제어 가능한 pH 반응성 및 초민감성 SERS 성능을 가지고 있음을 보여주었습니다. M. Ag@PAH NPs는 생물학적 위험 또는 화학 시약의 극미량 감지에서 스마트 SERS 응용 프로그램에 유망합니다.