규조류 껍질은 표면을 관통하는 규칙적인 패턴의 구멍이 있는 이산화규소로 구성된 이론적으로 무제한의 천연 물질입니다. 그 특성으로 인해 규조 껍질은 저비용, 고효율 약물 운반체, 센서 장치 또는 기타 마이크로 장치로 사용될 가능성이 있습니다. 여기에서 우리는 생물 공학, 의학, 안전 및 오염 모니터링에 적용하기 위해 낮은 존재 범위의 생물학적 분석 물질(소 혈청 알부민-BSA) 및 화학 오염 물질(광유)의 수확 및 검출을 위해 금 나노 입자로 기능화된 규조 껍질을 보여줍니다.
<섹션 데이터-제목="배경">규조류는 수생(바다, 호수, 강) 및 반수생(습지 및 토양) 틈새에 분포하는 100,000종 이상의 종이 지구에 대량으로 존재하는 단세포 조류입니다. 그것들은 해양의 총 유기 물질 함량의 약 40-50%에 기여하고 생물권에서 이산화탄소가 유기 화합물(즉, 광합성)로 전환되는 것의 약 20%에 기여합니다[1,2,3].
규조류는 복잡한 마이크로미터 규모의 구조와 종에 따라 다양한 기공 크기를 가진 기능적인 이산화규소 껍질(절두체)로 보호됩니다. 미세구조로 인해 규조 껍질은 최대 ~ 1700kNm/kg의 비강도 값을 나타내며, 이는 거미줄(1000kNm/kg)을 포함한 다른 천연 세포, 합성물 및 실크 재료보다 훨씬 높습니다[4,5, 6,7]. 또한, 규조류 프레임은 절두체 표면에 정렬된 기공 격자의 규칙성 및 대칭성으로 인해 자연적인 광학적 특성을 나타내며 기공 기하학 및 토폴로지, 파장 및 판막에 따라 빛의 수렴, 집중 및 트래핑 효과를 나타냅니다. 방향 [8,9,10,11,12].
따라서 규조류는 자연적(인공적인 것과는 대조적으로)이며 풍부하고 저렴하며 쉽게 접근할 수 있는 3차원 마이크로 또는 나노 규모 구조로, 생산을 위해 전통적인 나노가공 기술을 필요로 하지 않으며, 그 규모, 형태, 및 그 특성, 소형 센서, 약물 전달 캡슐 및 기타 마이크로 장치로 활용될 가능성을 표시합니다[2, 13, 14]. 그럼에도 불구하고 이러한 가능성에도 불구하고 나노기술에서 규조류의 응용은 상대적으로 적습니다. 올바른 기능.
이 편지에서 , 우리는 Au 나노 입자로 실리카 규조류 껍질을 기능화하는 방법을 보여줍니다. 그 결과 계층적 디자인에서 여러 스케일이 있는 장치가 생성됩니다. 각 쉘은 평균 직경이 d인 이산화규소 실린더입니다. ~ 8μm 및 높이 h ~ 10μm(그림 1a 및 추가 파일 1). 껍질 표면은 모양이 대략 원형이고 좁은 간격 p에서 크기가 변하는 조밀한 구멍 패턴을 포함합니다. s =200 ± 40nm(그림 1b, c). 그런 다음 금 나노 입자는 Au 입자의 평균 직경으로 껍질의 외부 표면에 균일하게 분포됩니다. − np s ~20nm 및 평균 주변의 작은 편차(그림 1b, c). 여기에서 규조 껍질은 규조토, 즉 저렴하고 이론적으로 절두체의 무제한 소스에서 파생되기 때문에(추가 파일 2), 이 방법은 짧은 시간에 많은 양의 나노 장치를 생성합니다(그림 1d, e). <그림>
평균 직경이 d인 마이크로미터 실린더로 나타나는 이산화규소 규조 껍질에 대한 예술가의 인상 ~8μm 및 h보다 큰 높이> 10μm, 기공 배열은 규조류의 외부 표면을 장식합니다(a ). 낮은(b)에서 획득한 금 나노입자(D24 시스템)로 기능화된 실리카 쉘의 SEM 현미경 사진 ) 및 높음(c ) 배율 요소. 이들로부터 기공 크기가 ~200nm이고 입자 크기가 ~20nm인 무작위로 분포된 금 나노 입자로 장식된 규조류 표면을 투과하는 기공의 규칙적인 패턴을 관찰할 수 있습니다. 큰 필드 SEM(d ) 및 광학(e ) D24 시스템의 이미지는 대량의 마이크로 장치를 생산하기 위한 기능화 프로세스 능력을 평가합니다. 형광 50nm 노란색 미소구체와 함께 배양 후 D24 시스템의 형광 현미경 검사는 장치 선택성, 특이성 및 감도를 나타냅니다(f )
이 장치는 다양한 저울을 통합합니다. (i) 쉘의 밀리미터 미만 치수는 시스템 조작, 취급 및 액세스를 허용합니다. (ii) 기공의 마이크로미터 크기는 분자 수확, 선택 및 (장치의 보다 정교한 진화에서) 단편화를 가능하게 합니다. (iii) Au-NPs의 나노미터 크기는 외부 전자기(EM) 복사의 제어 및 증폭을 가능하게 합니다. 따라서 계층적 다중 규모 아키텍처를 통해 용액에서 특정 분석 분자 표적을 추출하고 매우 낮은 존재비 범위에서도 표면 강화 라만 분광법(SERS)을 사용하여 특성화할 수 있습니다. 형광성 50nm 마이크로스피어(Fluoresbrite® Yellow Green Microspheres - 추가 파일 3)를 사용한 배양 및 후속 형광 분석은 장치 위치, 선택성, 특이성 및 배경 신호 부재(노이즈)를 나타냅니다(그림 1f).
<섹션 데이터-제목="결과">규조토(DE)는 유기 잔류물을 제거하기 위해 피라냐 용액으로 세척되었습니다. 그런 다음 샘플을 희석된 2% 불화수소산(HF) 용액에서 120초 동안 유지하여 작은 조각을 제거하고 규조류 표면을 거칠게 하며 Au 핵 생성을 촉진했습니다. 그런 다음 광 증착 공정을 사용하여 Au-NP로 장식 된 샘플. 쉘을 0.1% 염화금산(HAuCl4) 용액과 함께 탈이온수에 현탁했습니다. ) 이소프로필 알코올에 넣고 UVA/UVB Osram Ultra Vitalux 램프로 조명합니다. 조사 시간, 용액 내 규조 껍질의 농도 및 클로로금산의 양은 다른 나노입자 형태를 생성하기 위해 상당한 간격에 걸쳐 변화했습니다. 현재 구성의 경우 50ml의 용매에 20mg의 껍질을 사용하고 총 1시간 동안 5분마다 30μl의 클로로금산을 적시에 주입했습니다. 이 방법은 무전해 증착[18, 19]에서와 같이 금 이온을 금속 금으로 전기화학적 환원하는 것을 의미하지 않습니다. 다음에서는 Au-NPs 기능화된 규조 껍질을 약어 D24로 표시합니다. X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하여 D24 시스템을 특성화했습니다. 고분해능 XPS 스펙트럼은 거듭제곱 P를 사용하여 획득했습니다. =100W, 빔 에너지 e =11.7 keV, 분해능 δe =0.1 eV, t의 축적 시간 =최소 20분 스펙트럼의 피크는 284.8ev 결합 에너지에서 탄소 피크 C1을 참조했습니다. 그림 2에서 우리는 기능화 전후의 시스템의 XPS 스펙트럼을 보고합니다. 기능화 후 D24 시스템은 금속성 금(84 ev 결합 에너지에서 코어 밴드 Au4f5)의 출현과 Au4d3(353 eV), Au4d5(334 eV), Au5d3(6 eV)와 관련된 원자가 밴드의 흔적을 보여줍니다. ). 또한 나트륨(Na1s, 1071eV 및 497eV에서 Auger 피크)과 실리콘(Si2s, 150 및 97eV에서 2p)의 흔적도 관찰하며, 이는 나노입자 방울 증착에 사용되는 기판의 오염 물질에 기인합니다. 스펙트럼에 탄소(C1)가 존재하는 것은 제조 과정과 관련이 없는 우연의 일치이며, 이는 대기에 포함된 정상 수준의 탄소가 규조류 표면에 자발적으로 흡착된 결과입니다. 나노입자 합성을 위한 제시된 방법은 규조류의 외부 표면과 기공 내부에 나노입자의 형성을 가능하게 한다. 추가 파일 1에 제시된 추가 주사 전자 현미경(SEM) 이미지는 규조류의 기공 매트릭스 내부 깊숙이 Au 나노입자의 침착을 보여줍니다. 따라서 다공성 매트릭스의 기공은 분석 물질 격리, 고정 및 보유를 허용하는 반면, 금 나노 입자 어레이는 SERS 효과와 매우 낮은 존재비 범위에서 분석 물질의 검출을 가능하게 합니다. 이러한 효과는 밀접하게 엮여 있습니다.
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금 나노입자를 사용한 기능화 전(아래 그림)과 후(위 그림)의 이산화규소 규조 껍질의 XPS 스펙트럼
우리는 컴퓨터 시뮬레이션과 유한 요소 분석(FEA)을 사용하여 D24 시스템에서 금 나노 입자 어레이 주변의 EM 필드를 평가했습니다(방법 및 추가 파일 4). 규조류의 구멍 패턴은 광자 결정과 유사한 육각형 대칭(그림 3a)을 나타내기 때문에 우리는 수치 체계를 사용하여 Au 나노 입자의 균일한 분포로 장식된 유사한 기하학이 EM 신호를 국부적으로 향상시킬 수 있는지 여부를 평가했습니다. 모의 기공 패턴은 실제 SEM 이미지에서 재현되었습니다(그림 3b). 최대 125개의 입자가 각 기공 주위와 기공 사이에 배치되었습니다(그림 3b). 우리는 중심 파장이 λ인 TM 선형 편파 평면파로 입사 EM 필드를 근사화했습니다. =633nm, 전력 P inc =1 W 및 관련 전력 밀도 I =2.5 × 10 8 W/cm 2 . 시뮬레이션에서 규조 껍질은 굴절률이 n인 유전체로 설명되었습니다. D24 =1.3이고 주변 매체와 기공은 n의 공기로 간주되었습니다. 에어 =1. Au-NPs는 Rakic 및 동료들의 공식을 사용하여 모델링되었습니다[20]. 결과는 (그림 3c) 시스템에 의해 증폭된 EM 필드가 관심 볼륨에 고르지 않게 분포되어 있음을 나타냅니다. EM 필드는 |E|~3 ×만큼 높은 강도를 달성하는 금 나노 입자 주위에 우선적으로 집중됩니다. 10 8 V/m 및 관련 향상 계수 Q~10 2 EM 필드와 Q~10 8 을 고려한다면 표면 강화 라만 분광법(SERS) 효과를 고려한다면. (이 경우 향상은 4의 거듭제곱에 대한 국부 전기장의 진폭에 비례합니다[21]). 실제 적용에서 규조류 표면은 외부 방사선에 대해 무작위로 배향될 수 있기 때문에 |E| 전파하는 TM파와 함께 규조류 표면의 법선이 형성하는 방향 θ의 함수로서(그림 3e). θ =0 − 70 ° 에서 간격, |E| ~1.5 × 10 8 사이에서 진동 V/m =|E|최소 θ =20 ° 에서 및 ~4 × 10 8 V/m =|E|최대 θ =50 ° 에서 . 따라서 EM 필드의 강도는 D24 시스템이 연속적인 분석 및 검사를 위해 표면에 배치되는 방식에 의해 크게 영향을 받습니다. 그러나 최악의 구성에서도 |E|min EM 필드의 전파와 관련된 신호의 강력하고 민감한 분석을 생성하기에 충분히 큽니다.
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광자결정(a ). 실제 프로토타입의 기공 크기, 모양 및 토폴로지 및 기공 사이에 분포된 금 NP의 무작위 패턴은 수치 유한 요소 분석(FEA) 도구 상자(b ). 시뮬레이션 결과는 거의 ~3 10 8 의 최대 EM 필드로 금 나노입자 집합체 주변의 EM 필드 및 EM 필드 향상입니다. V/m(c ). EM 분포는 외부 입사 방사선에 대한 기공 표면의 방향에 대한 민감도를 나타냅니다(d ). 상당한 간격에 걸쳐 외부 방사선과 기공 표면의 법선 사이의 입사각을 변화시키면 최대 EM 필드 강도가 ~1.5 10 8 사이에서 진동한다는 것을 알 수 있습니다. 및 ~4 10 8 V/m(e )
그림 3a–c에 제시된 FEM 분석은 단순화된 2D 평면 형상에서 EM 필드를 시뮬레이션합니다. 그럼에도 불구하고 그림 3d의 3차원 구조와 추가 파일 4에 제시된 다른 이미지에서 금 나노 입자가 기공의 내부 표면을 따라 분포되어 있습니다. 실제 물리적 프로토타입과 더 유사한 이 체계는 D24 장치에 의해 흡착된 분석 물질이 EM 필드와 상호 작용할 수 있으며 모든 기공/분석 물질 상호 위치에 대해 감지될 수 있음을 나타냅니다. 따라서 SERS가 단거리 효과이고 EM 필드가 금 나노입자로부터의 거리의 3제곱으로 감쇠하더라도[22], 분석물 수확 및 분석물/기공 공동 국재화가 장치의 감지 기능을 보장합니다. 이를 위해 우리는 Yellow Green 50nm 나노스피어(추가 파일 3)가 로드된 D24 시스템의 추가 고배율 형광 이미지를 사용하여 기공에서 분석물의 국소화를 보여줍니다. 형광 신호와 D24 규조류 장치 사이의 공간적 중첩과 사라지는 작은 배경 신호는 분석물 흡수가 매우 효율적으로 잔류물이 없거나 최소화됨을 보여줍니다.
여기에서 우리는 생물학적 시스템에서 분자 수확 에이전트 및 감지 장치로 작동하는 D24 장치의 능력을 평가합니다. 우리는 10 −16 에서 소 혈청 알부민(BSA)을 포함하는 용액에서 D24 기기를 배양했습니다. M 농도, 1ml의 용액에 1mg의 D24 기기가 상대적으로 풍부합니다. 규조류에 침투하는 구멍의 복잡한 네트워크는 구멍 크기보다 작은 유체역학적 직경을 가진 분자를 흡수할 수 있는 필터를 나타냅니다. 현재 구성의 경우 평균 기공 크기가 거의 200nm임을 고려할 때 ~ 6nm의 특징적인 길이 크기를 가진 BSA 단백질[21]은 기공 매트릭스 내에 쉽게 축적됩니다. 인큐베이션 10분 후, D24 시스템을 분리하고 침전을 통해 초기 용액에서 추출했습니다. BSA가 포함된 D24 장치는 분석을 위해 Renishaw inVia 마이크로 라만 현미경의 스테이지에 배치되었습니다.
그림 4a는 D24 캡슐(i), 순수 BSA(ii), BSA + 비기능화 규조 껍질(iii), BSA + D24 시스템(iv)의 측정된 라만 스펙트럼을 보고합니다. 마지막 구성에서 시스템은 SERS 효과를 생성합니다. 표 1,에서 (iii) 및 (ii) SERS 효과가 없는 시스템에서 측정된 피크의 직접적인 비교 및 임시 할당을 보고합니다. BSA는 단순한 규조류 껍질에서 여전히 감지할 수 있지만 D24 시스템의 Au 나노 입자는 1392cm −1 에서 BSA의 방향족 성분의 존재를 강조합니다. 1556–1576cm −1 에서 밴드. 1670cm의 피크 −1 샘플에 아미드 I의 존재를 암시하며, 이는 차례로 β를 암시합니다. - SERS로 볼 수 있는 시트 형태. 단순 마이크로 라만의 해당 피크는 1658cm −1 에 있습니다. , 이는 α를 다르게 제안합니다. -나선 구조. 동시에 1392cm −1 에서 COO-대칭 스트레칭의 관련 향상 규조류/금 표면과의 강한 정전기적 상호작용을 시사한다[23]. 유한 영역에 대한 샘플의 SERS 매트릭스 스캔은 중심 주파수 f에서 수행되었습니다. =1576cm −1 측정의 수리 가능성, 신뢰성 및 민감도를 평가합니다(그림 4b). 두 가지 다른 구성에서 SERS 신호의 래스터 플롯(그림 4c, d)은 사라져버릴 정도로 낮은 존재비 범위에서 껍질에 걸쳐 BSA 함량의 공간 분포를 재구성하는 시스템 기능을 나타냅니다. 이전에 보고된 실험[24]에서 우리는 EM 증폭과 플라즈몬에 의해 유도된 국부 가열을 조사했습니다. 온도의 절대값이 ~ 400K에 달하는 기판의 나노 광자 소자와 관련된 위치 선택적인 온도 증가를 관찰했지만, 그럼에도 불구하고 이러한 증가와 관련된 레이저 출력은 10mW 범위로 설정해야 합니다. 즉, 레이저 출력 강도 P보다 2배 더 높음 =0.18mW는 전류 측정에 사용됩니다. 따라서 이 경우 인공 가열 효과와 단백질의 구조적 변화 가능성은 무시됩니다. β의 상대적인 내용의 형태적 변화와 변화 - 단백질 시트는 ~ 340K에서 시작하는 외부적으로 적용된 온도 필드에 의해 활성화됩니다[25].
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순수 BSA, 이산화규소 껍질에 의해 흡착된 BSA, D24 시스템에 의해 흡착된 BSA의 라만 스펙트럼, 후자의 두 실험에서 BSA의 초기 농도는 10 -16 이었습니다. (아 ). BSA 배양 후 D24 시스템의 광학 현미경 검사(b ); 개별 D24 시스템을 통해 획득한 BSA의 라만 맵(c , d )
D24 장치는 점점 더 낮은 희석 계수에서 광유의 분석 및 검출에서 입증되었습니다. 광유는 휘발유를 생산하기 위해 석유를 증류할 때 생기는 부산물입니다. 그것은 약 C 범위의 이 광유의 파라핀과 고급 알칸의 가벼운 혼합물을 포함합니다. 18 C에게 40 :윤활유나 작동유를 제조하기 위한 기유의 조성에 대략 해당한다[26]. 최근 논평[26]에서는 광유에 대한 노출을 ~ 50mg/kg, 즉 50ppm보다 낮은 수준으로 줄이는 것이 좋습니다. 따라서 광유(m.o.) 및 관련 제품의 분석은 환경 오염 및 식품 안전에 관심이 있습니다. m.o는 이전 BSA 분석에서 설명한 방법에 따라 라만 분광기를 사용하여 검사되었습니다.
그림 5a는 단독 D24 캡슐(i)과 단독 m.o에 대한 측정된 라만 스펙트럼을 표시합니다. (ii) 및 m.o. 및 다양한 농도의 탈이온수(iii). 이산화규소는 D24 시스템(i)의 주성분입니다. 고려되는 주파수 범위 600–3200cm −1 , 밴드 950cm −1 에서 라만 피크를 관찰합니다. , 실리콘의 2차 산란과 관련되며 2130cm −1 대역에서 , −SiH2에 연결됨 스트레칭 [27]. m.o. 스펙트럼(ii)은 1450cm −1 에서 피크가 특징입니다. , CH2를 나타냅니다. 가위 진동 및 2850–2923cm −1 의 피크 CH 스트레칭에 기인하는 영역 [28]. m.o.로 흡착 후 D24에 대한 라만 스펙트럼 0.05 ~ 200μl/ml 범위의 다른 농도에서 m.o.의 상대 함량을 나타냅니다. 에멀젼에서 1450 및 2850–2923 cm −1 밴드로 인코딩됩니다. . m.o의 함량이 높을수록. 에멀젼에서는 이러한 주파수 범위에서 라만 피크가 더 높습니다. 놀랍게도 D24 분석은 m.o. 0.050 μl/ml ≡ 50 ppm(m.o. :DI water)만큼 낮은 희석, 즉 안전, 독성 또는 오염 문제가 증가할 수 있는 임계 한계값입니다. m.o의 라만 지도 10 μl/ml의 희석에서 D24 표면에 걸쳐 측정되고 그림 5b의 삽입에 보고됩니다. 지도는 중심 주파수 f에서 계산됩니다. =1450cm −1 (그림 5c) 및 f =2900cm −1 (그림 5d). 모든 경우에 라만 강도는 m.o의 내용에 비례합니다. 규조류 껍질과 m.o. 프로필은 서브마이크로미터 해상도로 재구성됩니다.
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D24 시스템, 순수 광유 및 D24 시스템에 점점 더 낮은 농도로 흡착된 광유의 라만 스펙트럼(a ). 광유와 침전 후 D24 시스템의 광학 이미지(b ). f에서 획득한 D24 마이크로 장치에 의해 흡착된 광유의 라만 맵 =1450cm −1 (ㄷ ) 및 f =2900cm −1 (d )
설명된 체계는 분석물 캡처, 위치 파악, 격리 및 탐지를 허용합니다. 다공성 D24 규조류에 의해 흡착된 분석 물질은 쉽게 수집, 조작, 분리 및 샘플로 분주할 수 있습니다. 각 샘플은 (i) (ii) 특정 분석 물질이 적재된 기능화된 규조류로 구성됩니다. 따라서 샘플은 분석물과 이를 검출하는 데 필요한 장치의 조합입니다. 다른 분취량은 간단한 라만 설정을 사용하여 처리할 수 있으며 향후 분석을 위해 보관하거나 장기간 냉장고나 냉동고에 보관할 수 있습니다. 따라서 D24 시스템은 분석하고자 하는 표적 분자와 공생하여 작동하는 하이브리드 장치입니다. 기존의 SERS 기질 또는 금속 나노입자는 지금까지 분리되어 사용되어 왔으며 SERS 기질과 분석물 사이의 상호작용은 간헐적으로 발생하며 종종 측정 시 제한되는 반면, D24 시스템은 센서와 표적 분자를 통합합니다. 다기능, 관리 가능 및 휴대형 개별 장치. 또한 기존 SERS 기판과 달리 D24 시스템은 트레이서 역할을 하기에 충분히 작습니다. 미세순환 회로에서 방출된 D24 시스템은 살아있는 조직의 동맥, 세동맥 및 미세혈관을 통해 수송되고, 혈액 및 세포의 폐기물과 상호작용하고, 분석물, 펩티드 및 바이오마커를 내재화하고, 상승된 공간 및 시간적 해상도 생체 분자의 분석 지도는 차례로 개별 암 위험, 병리학 위험 또는 환자의 생리적 상태와 연관되어 의학적 결정을 지원하고 개입을 계획할 수 있습니다.
감지를 위한 마이크로캡슐로 규조류를 사용하는 아이디어가 완전히 새로운 것은 아닙니다. 그럼에도 불구하고, 이전에 보고된 작업은 다음 섹션에서 설명하는 바와 같이 개인의 기여에 따라 달라질 정도로 우리의 분석에서 벗어납니다.
참고문헌[29]에서 Ren과 동료들은 규조류 골격 껍질의 표면에 코팅된 플라즈몬 나노입자에 의해 생성된 전기장 향상을 탐색하기 위해 시뮬레이션을 사용했습니다. 그런 다음 규조류 표면에 은 나노 입자를 조립하여 SERS 기판을 준비했습니다. 유사한 장치가 우수한 감지 향상 요인을 달성하는 동안, 규조류는 기질에 고정되어 있고 생물학적 또는 기술적 목적을 위해 생물학적 유체 또는 용액, 생물학적 구획, 수로, 채널, 해수, 해류 및 해류 내 미세 순환에서 자유롭게 투여되지 않을 수 있습니다. 신청.
참고문헌[30]에서 Chen과 동료들은 Au 나노입자로 코팅된 규조토를 단단한 단추 모양의 밀리미터 정제로 압축했습니다. 그런 다음, 그들은 이 SERS 태블릿 장치를 사용하여 잠복 지문에서 에크린 땀의 화학 성분을 분석했습니다. 이는 의학에서 장치를 훌륭하고 매우 실용적인 응용 프로그램입니다. 그러나 그것은 구체적이고 분석은 여전히 거시적 수준에서 실행됩니다.
참고 문헌 [31]에서 Luca De Stefano가 이끄는 그룹은 무전해 증착을 사용하여 Au 나노 입자로 규조류 절두체를 기능화했습니다. 그런 다음, 그들은 p-메르캅토아닐린(pMA)을 사용하여 장치를 테스트했습니다. pMA는 금속 표면에 자가 조립된 단층을 형성할 수 있으므로 SERS에서 표면 프로브 분자로 사용됩니다. 무전해 증착은 입자의 크기와 밀도에 대한 높은 제어를 가능하게 하는 자가촉매 표면에서 금 나노입자 합성을 위한 평가된 기술입니다[18, 19, 32]. 이 접근 방식과 달리 여기에서는 무전해 증착에 비해 더 직접적이고 빠르며 샘플 처리가 필요하지 않거나 최소인 광증착 프로세스를 사용했습니다. 그럼에도 불구하고 De Stefano가 제안한 접근 방식은 유망하며 생물학적 또는 환경적 응용 분야에서 더욱 검증할 가치가 있습니다.
우리는 경제적이고 쉽게 접근할 수 있으며 풍부한 규조토를 수정하여 규조 껍질의 기공이 용액에서 분자를 포착할 수 있는 능력이 있는 소형 센서 장치를 얻는 방법을 개발했으며 금 나노 입자가 몇 배나 되는 크기의 분광학 신호를 증폭하여 그렇지 않으면 도달할 수 없는 낮은 존재 범위의 분자. 우리는 용액 내 생물학적 BSA 단백질 분석 및 물과 함께 이원 에멀젼 내 미량의 광유 검출에서 유사한 D24 장치를 시연했습니다. 두 경우 모두 10 −16 까지 낮은 희석도로 표적 분자를 밝혀냈습니다. BSA의 경우 M, 미네랄 오일의 경우 50ppm입니다. 이 장치는 분석 화학, 생물학적 위험 감시 및 평가, 식품 안전, 오염 물질 모니터링, 해수, 수로 및 식수 감시에 응용할 수 있습니다.
Au 나노입자(D24 시스템)로 기능화된 실리카 쉘은 주사 전자 현미경(SEM) 이미징을 위해 탄소 접착 테이프에 직접 분산되었습니다. 샘플은 형태학적 이미징을 위한 InLens 2차 전자 검출기가 장착된 Zeiss Auriga Compact FE-SEM과 Z-콘트라스트 이미징을 위한 환형 후방 산란 검출기를 사용하여 이미징되었습니다(Au의 존재를 강조하기 위해).
이 연구에 사용된 규조 재료는 1kg의 Fossil Shell Flour® 무료 샘플로 Perma-Guard(Perma-Guard Europe Sollaris Sp. z o.o., Otwock, Poland)에서 제공한 식품 등급의 고품질 규조토였습니다. 현재 시장 가격은 1kg당 ~ 16유로입니다. 멸종된 민물 규조류 Melosira preicelanica의 원통형 껍질로 구성되어 있습니다. 주요 분획은 비정질 실리카(최대 94%)로 구성되며 스멕타이트(~ 3%), 카올리나이트(~ 2%), 장석(~ 1%), 방해석(> 1%) 및 석영(> 1%)이 뒤따릅니다. . 저속 해머밀로 분쇄하여 입도를 균일하게 하였다. Fossil Shell Flour®의 주요 특성(물리적 및 광학적 특성 포함)은 중간 입자 크기:10μm, 메쉬 스크린 잔류물:2%; 굴절률:1.43; 오일 흡수:120%; 밝기(녹색 필터):85; 비중:2.2; 표면적:44.2m 2 /G; pH:8.0; 모공의 총 부피:0.132cm 3 /G; 미세기공(<20 Å):14%; 중간 기공(20–500 Å):65%.
D24 시스템은 D24 :형광 입자 =1 :10의 비율로 직경 50nm의 Fluoresbrite® Yellow Green Microspheres와 함께 10분 동안 배양되었습니다. 그런 다음, 용액에서 D24 시스템을 수집하여 광학 스테이지에 배치했습니다. 도립된 Leica TCS-SP2® 레이저 스캐닝 공초점 현미경 시스템. 모든 측정은 ArUv 레이저를 사용하여 수행되었습니다. 핀홀(80μm)과 레이저 출력(80% 출력)은 각 실험 동안 유지되었습니다. 황색 형광(FITC와 유사)은 λ 1 =441nm 여기선 및 공초점 이미지가 최대 방출 λ에서 수집되었습니다. 2 =10/20 대물렌즈를 사용하는 485 nm. 975 × 750μm 2 의 관심 영역에서 이미지를 획득했습니다. 품질을 개선하고 노이즈를 줄이기 위해 4개의 라인과 10개의 프레임에 대해 평균을 냈습니다. 이미지는 1280 × 960픽셀로 디지털화되었습니다.
X선 광전자 스펙트럼은 X선 광전자 분광법(XPS) Versa Probe II(PHI, Chanassen US)에서 100μm, 100W 전력의 모노크롬산염 Al 양극 빔이 수직인 대면적 분석 모드에 의해 기록되었습니다. 표면은 1400 × 300μm 2 의 영역에 걸쳐 래스터화됩니다. 샘플 표면에 대해 45°에서 분석기로. 조사 스펙트럼은 고역 통과 에너지(187keV)에서 최소 20분의 축적 시간으로 획득한 반면, 관심 요소의 고해상도 스펙트럼은 동일한 전력 및 0.1eV 분해능으로 11.7keV에서 획득했습니다. 스펙트럼은 Multipack(PHI, Chanassen USA) 소프트웨어로 분석되었으며 모든 피크는 284.8eV 결합 에너지에서 외래 탄소 피크 C1을 참조했습니다.
장식된 구조 전체의 전기장 프로파일을 수치적으로 계산하기 위해 상용 소프트웨어 COMSOL Multiphysics 5.3을 사용하여 유한 요소 방법(FEM) 3D 모델이 개발되었습니다. 시뮬레이션은 패턴화된 유전체 표면의 표면에 125개의 입자가 배치된 단일 입방 단위 셀에서 수행되었습니다. 전체 광학 응답은 TM 선형 편광 평면파(추가 파일 4)로 근사화된 전자기장의 입사각 함수로 조사되었습니다. 시스템의 주기성은 입사 평면에 수직인 단위 셀의 측면에 Floquet 경계 조건을 적용하여 고려되었습니다. 이후 결과는 규조류 배열을 시각화하기 위해 주기적으로 확장되었습니다(추가 파일 4). λ의 파장 =633.0nm로 설정되었습니다. 입사 방사선의 세기는 P로 임의로 선택되었습니다. inc =1 W, 단위 셀 면적은 3.9 × 10 −13 과 같습니다. m 2 and the resulting intensity is I = 2.5 × 10 −8 W/cm 2 (notice that intensity dependant non-linearity is here neglected). Regarding the materials, the diatom was optically described as a dielectric with refractive index n diatom = 1.3, whereas the surrounding environment is air with n 에어 = 1. Gold nanoparticles, modeled as perfect spheres with a diameter d = 20 nm, were modeled following the dielectric formulation reported in [20]. The geometrical domain has been discretized using tetrahedral elements. Maximum size of the mesh element has been chosen as 1/5 of the effective wavelength value that had to be resolved in each domain, depending on its refractive index. The minimum mesh element was set to r /1.5, r = 10 nm is the radius of each nano-sphere. Maxwell equations have been numerically solved within the unit cell by placing perfectly matched layers at the top and the bottom of the structure, in order to avoid unphysical reflections at the boundaries of the domain. In addition, the electromagnetic field symmetry has been exploited to reduce the computational effort of the simulation. As a result, equations are solved for a half of a diatom only, and perfect magnetic conductor boundary conditions have been imposed to the lateral sides of the unit cell, parallel to the plane of incidence, coherently with the polarization of the incident field.
D24 devices containing BSA were positioned on the stage of a Renishaw inVia micro-Raman microscope for analysis. Samples were analyzed using × 20/50 objectives of a Leica microscope. Raman spectra were excited by the 633.0 nm line of an HeNe laser in backscattering geometry and acquired with a CCD with 1024 × 1024 pixels. Laser power was adjusted as 0.18 mW and maintained constant throughout the whole measurements. Interferograms were recorded with an integration time of 20 s. Each spectrum was base line corrected with a second degree polynomial function. Raman maps were performed with a step size of 400 and 600 nm in the x 그리고 y axes direction.
Bovine serum albumin
Silicon dioxide diatom shells functionalized with gold nanoparticles
Diatomaceous earth
Mineral oil
Surface-enhanced Raman spectroscopy
나노물질
이 게시물은 다음이 공동 작성했습니다. 코스민 니콜라. Nicolae는 UiPath의 제품 관리자입니다. 비정형 데이터는 문서, 오디오 파일, 비디오, 이메일, 이미지, 로그 파일 등 어디에나 숨어 있습니다. 목록은 계속됩니다. 실제로 비정형 데이터는 현재 전체 데이터의 약 80~90%를 차지합니다. 그러나 비정형 데이터의 풍부함과 가치에도 불구하고 기업이 이를 추출하고 분석하는 데 필요한 도구가 부족하기 때문에 비정형 데이터는 여전히 가장 낭비되는 엔터프라이즈 리소스 중 하나입니다. 이는 구조화된 데이터가 필요한 빅 데이터
무수한 형태의 인터넷은 형성 이후 다양한 목적으로 사람들이 서로 연결하고 소통할 수 있게 해주었습니다. 기술의 발전과 함께 연결 수단을 제공하는 인터넷의 능력은 세계 일상 업무의 다른 측면에 서서히 스며들고 있습니다. 산업과 다른 기술 간의 인터넷 통합은 인더스트리 4.0이라고 불리는 새로운 산업 혁명을 촉발했습니다. 사물 인터넷(IoT), 기계 학습(ML), 인공 지능(AI) 등 분야의 발전으로 지속 가능성의 틀 내에서 운영되고 자원 활용을 극대화하는 동시에 증가하는 산업을 상상하고 실현할 수 있게 되었습니다. 제품 품질 및 전체
