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화학 감지용 귀금속 나노입자로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유

초록

독특한 기계적 및 열역학적 특성을 나타내는 전기방사 폴리머 나노섬유와 바람직한 플라즈몬 및/또는 전기촉매 특성을 나타내는 다른 귀금속 나노구조의 통합은 시너지 특성 및 기능의 새로운 하이브리드 나노규모 시스템을 생성합니다. 이 리뷰는 귀금속 나노입자를 전기방사 폴리머 나노섬유에 통합하는 방법에 대한 최근의 발전을 요약하고 이러한 통합이 향상된 감도, 안정성, 유연성, 호환성 및 선택성을 가진 화학 감지 응용 프로그램으로 가는 길을 어떻게 열어주는지 보여줍니다. 이 분야의 추가 개발은 결국 많은 연구 분야에 광범위한 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.

검토

배경

나노과학 및 나노기술의 급속한 발전은 공기 여과, 상처 드레싱, 약물 전달, 검출, 에너지 생산 및 식품 포장을 포함한 다양한 실제 응용을 이끌었습니다[1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10]. 나노 물질은 종종 더 큰 규모에서 동일한 물질과 매우 다른 물리적 및 화학적 특성을 가지고 있습니다. 나노구조 재료의 합성 및 구성을 위해 다양한 전략이 개발되었습니다[11,12,13]. 나노물질은 차원에 따라 0차원(0D), 1차원(1D), 2차원(2D), 3차원(3D)의 네 가지 범주로 분류할 수 있습니다. 나노와이어, 나노로드, 나노튜브와 같은 1차원 나노물질은 지난 수십 년 동안 광범위하게 연구되어 왔다. 앞서 언급한 재료 중 1차원 나노섬유는 작은 직경, 단위 질량당 큰 표면적, 작은 기공 크기 및 표면 기능의 유연성과 같은 독특한 구조 및 물리적 특성으로 인해 큰 주목을 받았습니다[14, 15]. 템플릿 합성[16], 자기조립[17], 전기방사[18, 19]와 같은 1D 나노섬유를 생산하기 위해 사용된 많은 가공 기술이 있습니다. 이러한 방법 중 전기방사는 나노섬유를 제조하는 데 가장 다양하고 간단한 방법인 것으로 보인다[15]. 고분자 용액이나 전기방사 설정의 매개변수를 조정함으로써 폴리아크릴로니트릴(PAN)[20, 21], 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVdF)[18], 폴리비닐알코올(PVA)[22 ]는 초미세 섬유로 성공적으로 전기방사될 수 있습니다. 따라서 전기방사(electrospinning)의 단순성과 다양성으로 인해 전기방사 고분자 나노섬유는 최근 몇 년 동안 특히 화학 센서 분야에서 상당한 주목을 받고 있습니다.

흡착된 분자와 귀금속 구조 사이의 광물질 상호작용을 나노 크기로 다루는 플라즈몬 분야는 표면 강화 라만 산란(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)을 포함한 다양한 분야의 폭발적인 성장으로 입증되는 바와 같이 최근 빠르게 성장하는 관심 분야로 부상하고 있습니다. [23,24,25], 표면 강화 적외선 흡수 분광법 [26, 27], 표면 강화 형광 분광법 [28,29,30], 표면 플라즈몬 공명 분광법 [31,32,33,34], 플라즈몬 비색법 [35]. 플라즈몬 나노구조의 매혹적인 광학적 특성은 표면 플라즈몬으로 알려진 귀금속(예:Au, Ag 및 Pt) 나노구조에서 전도대 전자의 집합적 진동에 의해 지배됩니다. 재현 가능한 플라즈몬 나노구조를 제조하는 간단한 방법에 대한 탐구는 다양한 과학 분야에 대한 많은 관심을 불러일으켰습니다. 그러나 기판의 미리 정의된 위치에서 원하는 장거리 순서로 개별 귀금속 나노구조를 계층적으로 조립하는 것은 여전히 ​​큰 도전으로 남아 있습니다. 합리적으로 설계된 아키텍처를 형성하기 위한 나노스케일 플라즈몬 빌딩 블록의 템플릿 합성 및 조립은 이 문제를 해결하기 위한 포괄적인 전략으로 등장했습니다[36,37,38]. 전기방사된 고분자 나노섬유는 귀금속 나노구조를 매우 정밀하게 포장할 수 있는 가장 유망한 템플릿 중 하나인 것으로 나타났습니다. 원하는 플라즈몬 특성을 가진 귀금속 나노구조를 전기방사된 고분자 나노섬유에 제어적으로 통합하면 감도, 안정성, 유연성, 호환성 및 선택성이 향상된 감지 응용 분야로 나아갈 수 있습니다.

이 리뷰는 전기방사 고분자 나노섬유를 귀금속 나노입자와 통합하는 최근의 발전과 화학적 감지를 위한 응용을 강조합니다. (1) 전기방사를 위한 기본 설정 및 공정 매개변수, (2) Au 또는 Ag 나노구조의 합성을 위한 다양한 전략, (3) Au 또는 Ag 나노입자로 장식된 전기방사 폴리머 나노섬유의 준비, (4) Au 또는 Ag 나노입자로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유의 화학적 감지 응용 사례

전기방사:기본 설정 및 공정 매개변수

전기방사 시스템은 일반적으로 그림 1과 같이 고전압의 직류 전원 공급 장치, 고분자 용액이 들어 있는 주사기, 끝이 뭉툭한 금속 바늘, 접지된 전도성 집전체의 네 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 이 과정에서 주사기의 폴리머 용액은 특정 속도로 금속 바늘 끝을 통해 펌핑됩니다. 높은 전압을 인가하여 고분자 방울의 표면에 전하를 생성하여 테일러 콘을 형성하고 정전기 척력이 고분자 방울의 표면 장력을 극복할 만큼 충분히 강하면 고분자 방울이 원뿔 모양으로 늘어납니다. 39]. 그 후, 폴리머 제트는 연신 과정을 거쳐 폴리머가 늘어나고 폴리머 용액 용매가 증발하여 접지된 전도성 집전체에 수집된 길고 얇은 폴리머 나노섬유가 남게 됩니다.

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전기방사를 위한 기본 실험실 설정

전기방사의 가장 큰 장점 중 하나는 전기방사 과정에서 매개변수를 변경함으로써 전기방사된 나노섬유의 형태를 쉽게 제어할 수 있다는 것입니다. 이러한 매개변수에는 폴리머 농도, 용액 점도, 용액 전도도, 유속, 인가 전압, 수집기와 바늘 끝 사이의 작동 거리, 공기 습도가 포함됩니다[12]. 폴리머 농도는 폴리머 농도가 감소함에 따라 표면 장력이 지배적일 수 있고 폴리머 비드 형성으로 이어질 수 있기 때문에 전기방사 나노섬유의 형태를 결정하는 중요한 매개변수입니다[39]. 또한, 용액 점도는 폴리머가 나노섬유로 탄성 방사될 수 있는지 여부를 결정하는 또 다른 중요한 매개변수입니다. 용액의 점도는 고분자 농도와 전기방사에 사용되는 고분자의 분자량에 크게 의존한다. 원칙적으로 고분자량의 고분자는 평균적으로 더 긴 분자 사슬을 가지며 더 많은 얽힘을 형성하여 고분자 용액의 더 높은 점도를 초래합니다. 따라서 고분자량 폴리머로 만든 용액의 경우 폴리머 농도가 낮더라도 충분한 용액 점도로 인해 균일한 제트를 생성할 수 있습니다. 반대로 분자량이 너무 낮으면 고분자 농도가 높아도 적절한 고분자 용액의 점도를 보장할 수 없고 고분자가 집전체에 비드(bead) 구조를 형성하는 경향이 있다[40]. 이에 비해 인가 전압 및 유속과 같은 공정 조건도 전기방사 중 나노섬유 형성에 중요한 역할을 한다. 인가 전압의 경우, 인가 전압을 다양하게 하여도 나노섬유 형태가 극적으로 변화하지 않는다는 것이 입증되었습니다. 과거 연구에 따르면 더 높은 전압을 인가할 때 더 큰 섬유 직경과 더 작은 섬유 직경을 모두 얻을 수 있습니다[40].

금 또는 은 나노구조의 합성 및 조립

지난 수십 년 동안 다양한 크기와 모양을 가진 Ag 및 Au 나노구조의 합성이 크게 발전했습니다. 상이한 나노구조가 상이한 응용에 적합할 수 있는 상당히 상이한 광학적, 전자적, 자기적 또는 화학적 특성을 야기할 수 있다는 점은 주목할 가치가 있다. 일반적으로 다른 메커니즘을 기반으로 Au 또는 Ag 나노구조에 대한 환원적 접근은 화학적 방법과 물리적 방법으로 대략 분류할 수 있습니다. 일반적으로 Au 또는 Ag 나노구조체를 얻는 방법은 Au 또는 Ag 전구체를 환원제 및/또는 콜로이드 안정화제와 혼합하는 것이며, 특정 조건에서 다양한 크기와 모양의 나노구조화된 Au 또는 Ag를 생성할 수 있습니다. AgNO3 및 HAuCl4 Ag 및 Au 나노구조 합성에 가장 일반적으로 사용되는 전구체이며, 수소화붕소나트륨, 알코올, 시트르산나트륨 및 폴리(비닐 피롤리돈)(PVP)과 같은 다양한 환원제는 Ag/Au 이온을 탁월한 제어로 Ag/Au 원자로 환원시킬 수 있습니다. 그들의 크기와 모양에. Au 또는 Ag 나노 입자의 플라즈몬 공명 주파수는 크기에 따라 다르다는 것이 입증되었습니다. 예를 들어, Xia와 동료들은 60~100nm 범위의 Ag 나노큐브를 합성하고 크기와 모양(날카로운 대 잘린)에 대해 SERS를 비교했습니다[39]. 이는 더 큰 입자(90 및 100nm)가 더 높은 SERS 효율(90 및 100nm)을 갖는 것으로 밝혀졌으며, 이는 주로 레이저 소스와 플라즈몬 공명 대역 사이의 중첩에 기인합니다. 또한 셰이퍼 모서리가 있는 입자는 잘린 입자보다 더 강렬한 SERS 신호를 제공했습니다.

금 나노구조의 합성

1951년 Turkevich의 연구를 기반으로 하는 HAuCl4 Au 나노 입자 합성에 가장 일반적으로 사용되는 방법 중 하나인 구연산염이 있는 수용액에서 환원될 수 있습니다[41]. 시트레이트의 양을 변화시킴으로써 Au 나노입자의 평균 크기를 쉽게 조작할 수 있으며 시트레이트는 핵제와 성장제 역할을 동시에 수행한다[41]. 구연산염 환원법이 Au 나노입자의 비교적 좁은 크기 분포를 생성할 수 있음이 입증되었습니다. 후속 연구는 다양한 pH 값이 Au 나노입자의 형성 과정을 결정하기 때문에 시트레이트 양의 함수로서 다양한 Au 나노입자 크기에 대한 제어 메커니즘이 pH 값과 밀접하게 관련되어 있음을 보여주었습니다[42].>

1994년 Brust와 Schiffrin은 2상 합성 전략을 발명하여 Au 나노구조 합성에 큰 공헌을 했습니다. 이 접근 방식에서 AuCl4 - 테트라옥틸암모늄 브로마이드를 상전이 시약으로 사용하여 수용액에서 톨루엔으로 이동시켰고 티올 리간드로 AuNP를 보호하기 위해 강한 티올-금 상호작용을 이용하였다. 크기 범위가 1~3nm인 Au 클러스터(그림 2)는 수소화붕소나트륨(NaBH4 ) 도데칸티올의 존재하에 [41]. NaBH4로 를 유기상에 첨가하자 용액의 색은 즉시 짙은 갈색으로 변하였다. 금/티올 비율, 온도 및 환원율을 포함한 여러 매개변수를 변경하여 생성된 Au 나노입자의 크기를 제어할 수 있습니다. 예를 들어, 더 큰 티올/금 몰 비율은 더 작은 평균 코어 크기를 갖는 Au 나노입자로 이어졌습니다[43]. 다양한 리간드를 사용하여 단층으로 보호된 금 클러스터와 티올과 AuCl4 간의 비율을 형성했습니다. - AuNP의 크기를 제어하기 위해 합성에서 조정할 수 있습니다. Jana et al.에 의해 개발된 종자 매개 성장. 또한 제어되고 단분산된 입자 크기를 갖는 Au 나노입자 생성에 대한 큰 가능성을 보여주었다[44,45,46,47]. 일반적인 공정에서는 고품질 시드가 필요하며 원통형 Au 나노구조는 여러 단계를 거쳐 성장합니다. 종자 매개 성장 접근법에서 Au 나노구조의 수율은 상대적으로 낮고 고품질 종자가 필요하다[48].

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a에서 티올 유도체화된 금 나노입자의 TEM 사진 낮고 b 고배율 [147]. [147]의 허가를 받아 재인쇄되었습니다. 저작권 {2010} 왕립 화학 학회

PVP, 폴리(에틸렌 글리콜)(PEG), PVA, 폴리(비닐 메틸 에테르)(PVME), 키토산 및 폴리에틸렌이민(PEI)을 포함하는 다양한 폴리머가 Au 나노 입자의 안정화를 위해 보고되었습니다[49,50,51 ,52,53,54,55,56,57]. 서로 다른 폴리머는 Au 나노구조에 대해 서로 다른 형성 프로세스를 나타냅니다. 예를 들어, 금 이온과 PVP 사이의 환원은 고체-액체(S-L) 메커니즘을 포함할 수 있으며 질소 및 산소 원자 헤테로고리 고리는 PVP의 환원 능력에 기여할 수 있습니다[56]. 환원 반응에서 PVP는 환원제와 입체 안정제의 역할을 모두 수행합니다. 따라서 PVP와 Au 이온 사이의 농도 또는 비율을 변경하여 모양과 크기가 다른 다양한 Au 나노구조를 얻을 수 있습니다(그림 3 참조).

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HAuCl4 대 PVP의 중량비를 갖는 AuNP-PVP 나노복합체 필름에서 AuNP의 TEM 이미지 및 히스토그램, [HAuCl4 /PVP] =1:1.5 (a , b ), 1:2(c , d ) 및 1:4(e , f ) [88]. ref의 허가를 받아 재인쇄되었습니다. [67]. 저작권 {2010} 왕립 화학 학회

Au 나노구조의 화학적 합성 전략 외에도 광화학(UV, Near-IR), 초음파화학, 방사선분해, 열분해 및 마이크로파 조사를 포함한 여러 물리적 방법이 Au 나노구조의 품질을 개선하는 데 사용되었습니다. ,60,61,62,63,64,65]. 마이크로웨이브 조사 합성 공정에서 다양한 양의 올레산을 첨가하면 성장 속도가 증가할 뿐만 아니라 생성되는 Au 나노구조의 형태가 그림 4와 같이 제어된다[65]. 또한, 올레일아민은 환원제로 첨가될 수 있으며, 핵 생성된 Au는 촉매로 작용하여 올레산과 올레일아민 사이의 반응을 개시하여 디올레아미드를 형성하며, 이는 준비된 Au 나노입자의 캡핑제 역할을 합니다. /P> <그림>

i에서 제조된 금 나노입자의 TEM 이미지 60, ii 70, iii 80 및 iv 90% 올레산[65]. ref의 허가를 받아 재인쇄되었습니다. [65]. 저작권 {2010} 미국 화학 학회

은 나노구조의 합성

수용액에서 Ag 콜로이드 합성을 위한 환원제로 구연산염을 사용하는 것이 수십 년 동안 발견되었습니다. 일반적으로 일정량의 구연산나트륨 용액을 끓는 AgNO3 수용액에 첨가합니다. 시스템을 1시간 동안 끓인 후 Ag 나노결정을 얻을 수 있습니다. 반응 동안 시트르산 이온은 환원제이자 안정제 역할을 하며 은 종자와 착물을 형성하여 입자 성장에 영향을 주어 더 큰 은 클러스터를 형성할 수 있습니다[66]. 또한, 용액의 pH 또는 시트르산 이온 농도를 변경함으로써 시트르산 이온과 관련된 다양한 양성자화 상태가 달성될 수 있으며, 결과적으로 Ag 클러스터의 다른 성장 메커니즘 및 형태가 생성됩니다[13].

Ag 나노구조체를 합성하기 위해 일반적으로 사용되는 또 다른 방법은 다양한 크기와 모양의 Ag 나노구조체를 형성할 수 있는 폴리올 공정이다[67,68,69,70,71]. 폴리올 환원 공정에서 핵 생성, 성장 공정 및 생성된 Ag 나노구조 형태는 온도, 시약 농도 및 미량 이온의 존재와 같은 반응 조건에 민감합니다[13]. 일반적인 폴리올 환원 공정에서는 에틸렌 글리콜과 같은 예열된 폴리올에 캡핑제가 포함된 Ag 전구체를 주입합니다. 1,2-프로필렌 글리콜; 또는 용매와 환원제의 이중 역할을 하는 1,5-펜탄디올[13, 66]. 폴리올 환원 과정의 정확한 메커니즘은 복잡한 특성으로 인해 아직 크게 알려지지 않았으며 가능한 반응 중 하나는 다음과 같습니다.

$$ 2\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}\ kern0.5em +\kern0.5em {\mathrm{O}}_2\to\ 2\mathrm{H}\mathrm{O}\mathrm{C}{\mathrm{H}}_2\mathrm{C}\mathrm {H}\mathrm{O} + 2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ (1)

분광법을 이용하여 글리콜알데하이드(GA)의 형성을 확인하였으며 에틸렌글리콜과 AgNO3를 효과적으로 환원시킬 수 있는 강력한 환원제의 중간생성물입니다. Ag로 [72]. 이것은 또한 폴리올 공정이 반응 온도에 크게 의존하는 이유를 설명할 수 있습니다[13]. 폴리올 반응 동안 Ag 원자는 처음에 작은 클러스터를 형성하고 나중에 안정되고 더 큰 클러스터로 성장합니다. 마지막으로 지속적인 성장을 통해 다양한 모양과 크기의 Ag 나노구조가 형성될 것입니다.

또한 질산은은 알데히드 함유 화합물(또는 당, 예:포도당)이 있는 상태에서 Tollen 시약을 형성한 후 환원 반응을 통해 원소 Ag로 변환할 수 있습니다.

$$ \mathrm{RCHO} + 2\ {\left[\mathrm{Ag}{\left(\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3\right)}_2\right]}^{+} + 2\ \mathrm{O}{\mathrm{H}}^{\hbox{-}}\to \mathrm{RCOOH} + 2\ \mathrm{A}\mathrm{g} + 4\ \mathrm{N} {\mathrm{H}}_3 + 2\ {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} $$ (2)

이 반응을 은거울 반응(silver mirror reaction)이라고도 하며, 이는 반응 용기의 내부 표면에 반짝이는 거울 코팅을 생성합니다[13]. 그러나 이 반응을 통해 모양 제어를 달성할 수 없으므로 Ag 나노구조체 합성에 사용이 제한됩니다.

추가 성장을 위한 종자로 나노결정을 사용하는 종자 매개 성장은 많은 관심을 끌었으며 Ag 나노구조에 대한 또 다른 대중적인 합성 접근법이 되었습니다. 기본적으로 2가지 주요 단계가 관련되어 있습니다:시드 핵형성 및 나노구조의 성장. 이 두 단계는 본질적으로 별개이므로 Ag 나노구조의 최종 형태를 크게 제어할 수 있습니다[13, 67]. 이 방법에 의해 합성된 Ag 나노구조의 경우, 나노구조의 최종 형태는 초기 시드에 의존할 뿐만 아니라 다양한 결정학적 면의 성장률에 의해 좌우된다[13]. 특정 패싯의 성장률은 캡핑제의 영향을 크게 받는 것으로 나타났습니다. 예를 들어 캡핑제로 사용되는 경우 시트르산은 결정면보다 {111}에 더 강하게 결합하여 나노플레이트를 형성하는 경향이 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 PVP의 경우 결정면보다 {100}에 더 강하게 결합하여 [73] 방향을 따라 성장 속도를 감소시켜 다른 형태 형성으로 이어질 수 있습니다. 이러한 연구는 캡핑제 및 종자 유형을 포함한 반응 조건을 변경함으로써 입증합니다. 서로 다른 면의 결합 강도를 간단히 조작할 수 있어 Ag 나노구조의 형태를 정밀하게 제어할 수 있습니다[13].

오래 전에 사람들은 은 전구체(예:AgNO3 ) 빛과 상호 작용하여 원소 은을 형성할 수 있습니다. 따라서 적절한 화학종이 존재하는 경우 Ag 콜로이드 샘플의 레이저 조사 하에 Ag 나노구조가 형성될 수 있다[13]. 초기 연구에서 초고속(펨토 또는 나노초) 레이저 펄스가 Ag 나노구조에 적용될 때 이러한 나노구조가 녹아서 이 형태의 낮은 표면 에너지와 열역학적 안정성으로 인해 거친 구를 형성하는 경향이 있음을 발견했습니다[13, 74, 75]. 이러한 초기 연구에서 영감을 얻은 이후의 조사는 광 여기가 제어 가능한 방식으로 나노 구조를 성장 또는 수정하는 데에도 활용될 수 있으며 생성된 나노 구조의 크기와 모양이 적용된 레이저 파장 및 출력에 의존하는 것으로 밝혀졌습니다[76,77, 78,79]. 최근 연구에 따르면 구연산염, 산소 및 빛이 반응에 필요합니다. 빛 매개 합성의 메커니즘은 다음과 같습니다. 빛을 흡수/산란하는 Ag 종자는 이산소를 약하게 환원시키고 Ag + 를 방출합니다. 솔루션으로; 빛과 Ag + 가 있는 경우 , citrate는 acetoacetate로 분해되고 생성된 전자는 Ag 나노구조로 전달되어 표면의 은 증착 속도를 가속화합니다[13, 78, 80]. 조사광 강도를 증가시키면 광화학 공정이 크게 향상되어 광반응 속도와 Ag 나노프리즘의 수율이 증가할 수 있습니다[78].

귀금속 나노입자로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유

Ag 및 Au 나노구조는 플라즈몬, 생물의학 연구, 감지 및 촉매 작용과 같은 다양한 응용 분야를 위한 다목적 플랫폼임이 입증되었습니다[81,82,83,84,85,86]. 전기방사된 고분자 나노섬유의 유연성, 균일한 분포, 제어 가능한 형태, 자립 특성을 이용하여 Au 또는 Ag 나노구조와 고분자 나노섬유의 조합은 재사용성을 개선하고 현재 응용 분야를 넓힐 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 예를 들어, Ag 나노 입자를 고분자 섬유 매트릭스로 캡슐화하면 Ag 나노 입자 표면의 황화를 효율적으로 방지할 수 있습니다. 전기방사된 나노섬유에 Au 또는 Ag 나노구조를 추가하면 나노섬유 형태도 변경할 수 있습니다. Kim과 동료들은 Au NP/PEO 복합 재료를 합성하고 Au NP를 PEO(폴리(에틸렌 옥사이드))에 추가한 후 섬유 직경이 50nm 증가한다는 것을 발견했습니다[87].

Ag 나노입자로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유의 제조

Ag + 환원 과정의 순서에 따라 은 나노구조에 은 나노입자로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유의 제조는 두 가지 다른 방법으로 분류할 수 있다. 첫 번째 방법에서는 형태가 다른 Ag 나노구조체를 먼저 준비하거나 Ag 전구체를 폴리머 전구체 용액 내부에서 Ag 나노구조체로 환원시킨다. 환원 반응이 별도의 용액에서 수행되면 준비된 Ag 나노 구조가 분리되어 고분자 전구체 용액에 추가됩니다. 이와 같이 전기방사된 나노섬유가 형성되기 전에 Ag 나노구조의 환원이 일어나기 때문에 Ag 전구체를 용해 및 안정화시킬 수 있는 용매가 필요하지 않다. 또한, 고분자가 반드시 Ag 전구체를 환원할 수 있어야 하는 것은 아니며 적절한 고분자를 복합재료에 제한 없이 사용할 수 있음을 의미한다. 또한, 종속 환원 공정에서 Ag 나노구조 형태를 제어하는 ​​것이 더 쉽기 때문에 별도의 합성 공정을 통해 더 많은 Ag 나노구조 형태를 갖는 Ag 나노구조/전기방사 나노섬유 합성물을 만들 수 있습니다.

은 나노입자로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유를 제조하는 또 다른 방법은 먼저 은 전구체를 고분자 전구체 용액에 녹이거나 전기방사 고분자 나노섬유 표면에 부착시킨 후 환원과정을 거쳐 은 전구체를 은 나노구조체로 변형시키는 것이다. 이 방법은 플라즈몬 나노입자의 제자리 성장이라고도 합니다. 일반적으로 환원 반응을 수행하기 위한 접근법 중 하나는 키토산 및 PVP와 같은 전기방사 나노섬유 전구체로 환원성 고분자 또는 환원성 고분자를 포함하는 혼합 고분자를 이용하는 것이다[88, 89, 90,91]. PVP가 어떻게 Ag 전구체를 Ag 나노입자로 환원시키는지에 대한 정확한 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않았으며, 하이드록실 말단기의 산화로 인한 알데히드 작용기가 유사한 방식으로 금속 이온을 환원시킬 수 있다는 가설이 세워졌습니다. Tollen의 시약 [92]. 또한, 동일한 질량의 폴리머를 사용할 때 금속 형성 능력은 PVP의 분자량에 크게 의존한다는 점을 지적할 가치가 있습니다[88]. Ag + 를 줄이기 위한 다른 접근 방식 고분자 나노섬유 내부 또는 외부에는 가열, UV 조사, 마이크로파 조사 또는 수소 환원이 포함된다[93,94,95,96,97]. Leonard et al. 전기석 나노입자/폴리우레탄 나노섬유 합성물을 준비하고 표면에 아질산은으로 장식하였다[98]. 4시간 동안 조사 처리한 후 질산은이 Ag 나노 입자로 환원되어 복합재 표면에 와이어와 같은 구조를 나타냈습니다.

Au 나노입자로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유의 제조

Ag 나노구조를 캡슐화하기 위한 전략과 유사하게, 대부분의 연구자들은 Au 나노입자로 장식된 전기방사 폴리머 나노섬유가 먼저 시트레이트 환원 및 종자 매개 접근법과 같은 일반 Au 나노구조 방법을 사용하여 합성할 수 있고, 그 다음 준비된 Au 나노구조를 Au 나노구조에 분산시킬 수 있음을 보여줍니다. 전기방사 폴리머 전구체 용액 [73, 99,100,101,102]. 일부 특정 응용 분야의 경우, Au 나노구조는 나노섬유의 표면을 장식하는 데 필요하며 Au 나노구조는 폴리머의 특정 기능기에 의해 끌리는 것으로 밝혀졌습니다. Ag 또는 Au 용액 pH를 조정함으로써 Dong et al. NPs의 표면에 결합된 구연산염의 세 COONa 그룹 중 하나가 COOH가 되어 두 개의 분자간 수소 결합을 통해 나일론 6 섬유 표면의 아미드 그룹을 연결하고 표면의 Ag 또는 Au NP를 결합할 수 있음을 발견했습니다. 그림 5[103]와 같이 나일론 6 나노섬유의 <사진>

나일론 6 나노섬유의 표면에 금속 나노입자의 pH 유도된 조립 메커니즘 [103]. ref의 허가를 받아 재인쇄되었습니다. [103]. 저작권 {2008} 미국 화학 학회

일부 폴리머는 Au 나노입자를 끌어들이기 위해 더 강한 결합 부위를 제공하기 위해 3-메르캅토프로필트리메톡시실란(MPTES)과 같은 다른 물질로 쉽게 변형될 수 있는 백본에 작용기를 포함합니다[99]. 또한 일부 폴리머는 Au 나노구조를 안정화하고 Au 3+ 환원 과정에서 전자 공여체로 기능하는 데 사용할 수 있습니다. Au 0 으로 . Pucci et al. 조사에서 RCH2 사용 가능한 α 수소 원자가 있는 PVA의 OH는 H + 를 방출하면서 RCHO로 변환될 수 있습니다. 그리고 e [52]. 이어서 생성된 e - Au 3+ 에 갇힐 수 있습니다. Au 0 생성 PVA 첨가제를 보다 효율적인 광환원 반응으로 만듭니다[104].

귀금속 나노입자로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유의 응용 감지

귀금속 나노입자(예:Au 및 Ag NPs)로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유를 기반으로 한 감지 응용 분야의 최근 몇 가지 예가 표 1에 나와 있습니다. 표 1에서 금속 입자/나노섬유 복합재는 단순성과 같은 많은 이점이 있음을 알 수 있습니다 , 고감도, 고선택성으로 다양한 생물학적, 화학적 시료를 검출합니다. 전기방사를 통해 금속 입자/나노섬유 복합재는 표면적이 큰 금속 입자/나노섬유 복합재를 쉽게 제작할 수 있어 검출 분자에 쉽게 접근할 수 있어 SERS에 대한 우수한 활성을 이끌어냅니다. 따라서 많은 금속 입자/나노섬유 복합재료가 낮은 검출 한계를 보입니다. 또한, 표 1의 결과를 바탕으로 금속 입자 사이에 핫스팟이 존재하여 라만 신호가 향상되기 때문에 금속 입자의 밀도와 크기가 SERS 활성/민감도에 중요한 영향을 미친다는 결론을 내릴 수 있습니다. .

SERS 기반 화학 감지용 귀금속 나노입자로 장식된 전기방사 고분자 나노섬유

표면 강화 라만 산란(SERS)은 단일 분자, 이온, 생체 분자를 조사하고 세포 연구를 위한 가장 유망하고 강력한 분석 도구 중 하나로 부상했습니다[105,106,107,108,109,110,111]. 1980년대 중반 이후로 더 많은 연구자들이 현상에 대한 근본적인 이해 대신 SERS의 유망한 분석적 응용에 대한 탐구에 집중하기 시작했습니다[112]. 조직화된 Au 또는 Ag 나노구조는 금속 나노구조에 의해 유도된 국부 전자기장 향상에 기인한 SERS 기판으로서의 신호 증폭 기능으로 인해 엄청난 주목을 받았습니다. SERS 향상 인자(나노구조가 있는 경우와 없는 경우에 주어진 수의 분자에서 나오는 라만 신호 사이의 비율)는 효과를 일으키는 나노구조의 크기 및 모양과 밀접한 관련이 있습니다[113]. Typically, the Au, Ag, or AuAg-mixed nanostructures are arranged on rigid materials as the SERS substrate and these methods are either complicated and time consuming in synthesis processes or require strict synthetic conditions.

Recently, a flexible substrate fabricated by combining electrospun nanofibers with Au, Ag, or AuAg-mixed nanostructures has become popular due to their excellent SERS performance and, compared with the rigid substrate, these flexible structures are adaptable to a rough substrate in terms of wrapping and bending [106, 114]. These metal/nanofiber composites demonstrated a 3D structure, which can provide high density of “hot spots”, which refers to the regions of highly enhanced local electromagnetic field [115]. In addition, the polymer outside the nanostructures can protect them from the surrounding environment especially for Ag nanostructures, which gives the composite long lifetime and high sensitivity [116].

Different polymers or ceramic nanofibers, such as PVA [100, 116, 117], cellulose [118], poly(methyl methacrylate) (PMMA) [119], chitosan [106], poly (acrylic acid) (PAA)/PVA [120], and silica [121] have been utilized to combine with different Ag or Au nanostructures to fabricate the flexible substrate for SERS. PVA is a nontoxic, biocompatible polymer, which has good electrospinability, and it is a popular material for electrospinning. When it is used as the supporting material for Ag nanostructures for SERS, it functions not only as the host matrix but also as an organic additive inducing the aggregation of individual Ag nanostructures [116]. In a typical process, the Au or Ag nanostructures are produced in specific morphologies first and these nanostructures are added into the polymer solution as the precursor solution. 그는 외. synthesized nearly monodispersed Ag NPs via a microwave-assisted method and then these as-prepared silver dimers and aggregates were mixed into a 7% aqueous PVA solution for electrospinning [116]. In order to reduce the specific surface area and the surface Gibbs free energy of individual nanofibers, Ag NPs were self-assembled inside the PVA nanofibers. The assembly of Ag dimers or aligned aggregates within PVA nanofibers was confirmed using transmission electron microscopy (TEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses. Moreover, Ag NPs tended to form a linear chain-like structure along the axial direction of fibers (Fig. 6) because when a high voltage was applied to the solution, Ag NPs became positively charged on one side and negatively charged on the other, leading to a self-alignment by electrostatic attraction in the direction of the electric field [116].

d Typical TEM image of Ag/PVA nanofibers with the molar ratio of PVA/Ag 530:1 (a ), 530:2 (b ), 530:3 (c ), and 530:4 (d ). The increase of the molar ratio of Ag/PVA in the Ag/PVA solution led to stronger aggregation state and a larger distribution in the sizes of the aggregated Ag NPs. Schematic representation of the formation of chain-like arrays of Ag NP aggregates within PVA nanofibers [116]. Reprinted with permission from ref. [116]. Copyright {2009} American Chemical Society

As the amount of Ag NPs increased in the PVA nanofibers, the enhancement factor did not increase accordingly, which indicated that different morphology of Ag NP aggregation had a great influence on the enhancement effects of SERS [116]. When 4-mercaptobenzoic acid (4-MBA) was used as a probing molecule to study the Raman enhancement effects, the Ag/PVA nanofibers showed excellent detection reproducibility (i.e., the average relative standard deviation values of the major Raman peak were less than 0.07). Taking advantage of the same nanoparticle alignment in the polymer nanofibers, Ag nanowires (NWs) were also synthesized and electrospun into PVA nanofibers [122]. The Ag NW/PVA nanofibers showed similar morphology and the NWs were “frozen-up” within the polymer fibers. In addition, the electrospun Ag NW/PVA nanofibers were arranged into different structures and stronger SERS intensities were obtained from the arranged samples [122]. Besides Ag nanostructures, Au nanostructures were also encapsulated into the PVA electrospun nanofibers as SERS substrates [100]. Zhang et al. used a seed-mediated surfactant-directed approach to synthesize Au nanorods (AuNRs), and these Au NRs exhibited good alignment along the axial direction of the nanofibers, which demonstrates that electrospinning is a powerful tool to assemble anisotropic nanorods on a large scale [100]. Ag and Au nanostructures can be co-assembled into the PVA nanofibers [117, 123]. Different SERS effects can be obtained by varying the Au/Ag ratio and the excitation wavelength due to the different activities of Au and Ag nanostructures under different wavelengths [124]. In spite of the different morphologies of Ag and Au nanostructures, both Au/PVA and Ag/PVA composites showed excellent SERS performance.

Electrospun Polymer Nanofibers Decorated with Noble Metal Nanoparticles for Chemical Sensing Based on Electrochemical Techniques

Nowadays, metal nanoparticles (such as Au, Ag, Cu, and Ni) have become widely utilized in electrochemical sensing applications, which can be attributed to their rich electronic properties, high surface area, and excellent chemical stability [125, 126]. Au NPs can decrease the overpotentials of many electroanalytical reactions and maintain the reversibility of redox reactions [41, 127]. The Au NP platform can be used for detection of different kinds of analytes including small molecules such as glucose [128, 129], dopamine [130,131,132,133], bisphenol A [134], toxic chemicals and drugs such as mercury [135,136,137,138], antimony [139], and hydrogen peroxide [140]. Au NPs hold great promise as substrates for designing electrochemical biosensors, which benefit from their ability to provide a stable immobilization of biomolecules retaining their bioactivity, ease of use in chemical synthesis, narrow size distribution, and their convenient labeling of biomolecules [141,142,143]. Furthermore, both Ag and Au NPs have good biocompatibility and large surface area which can help adsorb biomolecules strongly and play an important role in the immobilization of biomolecules [144]. Accordingly, combining Au or Ag NPs with large-surface-area polymer nanofibers, which provide a large loading capacity for nanoparticles, can further enhance the sensitivity of the sensors [145].

Sapountzi et al. decorated the PVA/poly(ethyleneimine) (PEI)/glucose oxidase nanofibers with Au NPs to further improve the conductivity of the mat and used these composites as electrochemical biosensors [146]. However, both PVA and PEI are water soluble polymers and it may weaken the stability of the composite. Therefore, the researchers conducted a post-electrospinning cross-linking step by exposing the NFs to glutaraldehyde (GA) vapors and the morphology of the fibers was still well retained, suggesting a successful chemical cross-linking reaction induced by GA vapors [146]. The same treatment was also performed by other researchers and the cross-linked PVA nanofiber mat maintained its morphology even after being soaked in water for 15 days [99]. After obtaining the water soluble PVA nanofiber mat, 3-mercaptopropyltrimethoxysilanes (MPTES) were first modified on the surface of electrospun PVA nanofibers. Then, the modified PVA nanofiber mat was immersed into the as-prepared Au NPs aqueous solutions and Au NPs were strongly bonded onto the surface of the modified PVA nanofibers due to the strong affinity between the thiol groups and Au NPs [99]. Au NPs were homogenously decorated on the surface of the modified PVA nanofibers for different Au NP concentrations, leading to highly sensitive detection of H2 O2 and the Au NPs/modified PVA also showed more advantages such as fast response, broad linear range, and low detection limit [99].

Conclusions

Extensive research has been carried out to study the properties and applications of both Au or Ag nanostructures and electrospun nanofiber materials in recent years. Taking advantage of the flexibility, large surface area, ease of production, and surface modification of the electrospun polymer nanofibers, the combination of Au/Ag nanostructures with nanofibers makes these composites versatile platforms for various applications in optics, antibacterial coatings, photovoltaics, and chemical and biological sensors etc. The adaptable functionalization of both electrospun nanofibers and Au or Ag nanostructures can lead to unique morphologies and structures for Au or Ag nanostructure/electrospun nanofiber composites, followed by more applications with enhanced performance.

Despite the increasing number of publications using electrospun polymer nanofibers decorated with noble metal nanoparticles for sensing applications, the field is in its infancy. The rational integration of noble metal nanoparticles to nanofiber matrices to achieve desirable plasmonic properties will bring unprecedented strategies for sensor development. Further investigations are required to better understand the morphology control, formation mechanism, and applications to specific applications. It is expected that further development of this field will eventually make a wide impact on many areas of research.

약어

GA:

Glutaraldehyde

MPTES:

3-Mercaptopropyltrimethoxysilane

NWs:

Nanowires

PAA:

Poly (acrylic acid)

PAN:

Polyacrylonitrile

PEG:

Poly(ethylene glycol)

PEI:

Polyethyleneimine

PEO:

Poly (ethylene oxide)

PVA:

Polyvinyl alcohol

PVdF:

Polyvinylidene fluoride

PVME:

Poly(vinyl methyl ether)

PVP:

Polyvinylpropelene

SERS:

Surface-enhanced Raman scattering

TEM:

투과전자현미경

XPS:

X선 광전자 분광법


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