Metode Ablasi Laser Sederhana untuk Pembuatan Substrat SERS Superhydrophobic pada Film Teflon

Hasil dan Diskusi

Proses eksperimen ditunjukkan pada Gambar. 1. Kebasahan permukaan PTFE asli diubah dengan perawatan laser menggunakan desain CAD yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S1, yang mengarah ke hasil bahwa seluruh permukaan menjadi superhidrofobik kecuali untuk yang tidak diberi perlakuan. area, yang merupakan permukaan hidrofobik (diameter lingkaran:0,5 mm, celah:0,8 mm). Foto PTFE terukir ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S2. Setelah itu, setetes larutan koloid Ag (5 μL) diteteskan pada PTFE yang telah digrafir dan diuapkan dalam oven (70 °C). Sekitar 10 menit kemudian, nanopartikel Ag dapat diagregasi ke dalam lingkaran (permukaan hidrofobik) karena sifat yang sangat menjijikkan dari permukaan superhidrofobik, dan kemudian substrat SERS aktif diperoleh. Pertama, Rhodamine6G (R6G) dan methylene blue (MB) bertindak sebagai molekul probe untuk menyelidiki kinerja SERS dari substrat SERS yang dibuat. Satu tetes larutan molekul dijatuhkan pada PTFE terukir yang menutupi nanopartikel Ag yang sebelumnya disimpan. Karena sifat menolak air dari struktur superhidrofobik, tetesan molekul akan menjadi lebih tebal dan lebih tebal dalam proses penguapan, yang akan memperkaya molekul ke area hot-spot di celah antara nanopartikel secara efektif. Menariknya, penguapan suhu tinggi tidak hanya dapat mempercepat penguapan pelarut untuk mencapai analisis cepat tanpa mempengaruhi hasil percobaan, tetapi juga hampir tidak memberikan efek buruk pada agregasi zat terlarut pada 70 °C.

Diagram skema proses eksperimen

Untuk menjelaskan lebih lanjut alasan bahwa PTFE terukir lebih baik daripada PTFE asli dalam hal kemampuan untuk memperkaya zat terlarut, gambar SEM dan profil penguapan menggunakan kamera video kecepatan tinggi dari dua jenis substrat PTFE diperoleh dan ditunjukkan pada Gambar. 2. Saat PTFE diukir, laser akan menghancurkan dan mengikis permukaan halus PTFE asli, yang dapat mengubah kekasaran permukaan dan membiarkan struktur mikro/nano muncul di PTFE. Pada Gambar. 2a, untuk PTFE terukir, semua permukaan lingkaran yang tidak diberi perlakuan menunjukkan permukaan yang relatif halus, tetapi area terukir dihiasi dengan mikro/struktur nano, yang mengubah PTFE menjadi PTFE superhidrofobik. Sementara itu, gambar sudut kontak menunjukkan bahwa sudut kontak air statis PTFE terukir jauh lebih besar dari yang asli dan nilai sudut (PTFE terukir) adalah 151,8° seperti yang ditunjukkan di bagian bawah Gambar 2a, yang telah mencapai nilai sudut kontak statis yang dibutuhkan oleh struktur superhydrophobic [15]. Kamera video berkecepatan tinggi digunakan untuk mengamati dan merekam proses penguapan yang masing-masing diuapkan setetes larutan koloid Ag 5 μL pada PTFE asli dan terukir pada suhu kamar (R.T.). Karena proses evaporasi memakan waktu lama, profil evaporasi dari awal dan akhir proses evaporasi ditangkap masing-masing untuk menjelaskan proses secara intuitif, ditunjukkan pada Gambar 2b (PTFE asli) dan Gambar 2c (PTFE terukir). Untuk PTFE asli, selama penguapan, permukaan kontak antara larutan dan permukaan substrat hampir tidak berkurang. Sebaliknya, terdapat penurunan yang relatif jelas pada permukaan kontak untuk PTFE terukir seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2c. Alasannya adalah bahwa kemampuan menolak air dari struktur mikro/nano secara bertahap menyusutkan tetesan ke dalam area lingkaran hidrofobik selama R.T. penguapan, berkontribusi pada penurunan area kontak. Dengan membandingkan Gbr. 2b dan c, dapat diamati secara langsung bahwa nanopartikel Ag pada PTFE fabrikasi dikumpulkan di area yang jauh lebih kecil daripada PTFE asli. Penting untuk digarisbawahi bahwa permukaan superhidrofobik khusus (distribusi alternatif permukaan hidrofobik dan superhidrofobik) tidak membiarkan solusi menempel pada tekstur skala mikro atau nano dan sebagian besar zat terlarut akan dikumpulkan dalam lingkaran ini setelah penguapan seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S3. Dengan kata lain, permukaan superhidrofobik khusus dapat menghindari kerugian dari bahan superhidrofobik umum bahwa analit tetap berada di mikro/struktur nano setelah penguapan, menyebabkan hilangnya zat terlarut dan melemahnya sinyal SERS.

a Gambar SEM permukaan substrat tentang PTFE asli dan PTFE terukir dan gambar sudut kontak statis yang sesuai; b Profil penguapan larutan pada PTFE asli; c Profil penguapan solusi pada PTFE terukir

Untuk mengamati secara visual bahwa nanopartikel Ag telah berkumpul lebih rapat pada PTFE terukir dibandingkan dengan PTFE asli di bawah penguapan suhu tinggi (70 ° C), ada gambar mikroskop optik dan gambar SEM dengan kelipatan berbeda seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, masing-masing. Gambar SEM dari nanopartikel Ag yang disiapkan ditampilkan di File tambahan 1:Gambar S4 [16]. Karena efek cincin kopi, setelah semua air benar-benar menguap, sebagian besar nanopartikel Ag akan berkumpul di tepi dan nanopartikel yang tersisa akan tersebar di tengah yang menempati sebagian besar area untuk PTFE asli seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a -G. Berkenaan dengan PTFE terukir, setelah proses penguapan dalam lingkungan bersuhu tinggi, nanopartikel Ag akan terakumulasi dalam lingkaran kecil dan tidak ada efek cincin kopi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3h–k. Harus ditunjukkan bahwa area akhir agregasi nanopartikel Ag pada PTFE terukir hampir 25 kali lebih kecil dari PTFE asli dengan membandingkan Gambar 3a dan h. Untuk mengurangi waktu penguapan, sampel dimasukkan ke dalam oven. Khususnya, penguapan suhu tinggi dapat membuat nanopartikel lebih kompak dibandingkan dengan R.T. penguapan seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S5. Penjelasan yang mungkin adalah bahwa penguapan yang cepat dapat membuat massa nanopartikel Ag bersama-sama lebih cepat. Namun, suhu penguapan tidak dapat dinaikkan terlalu tinggi karena struktur molekul analit dapat rusak pada suhu pemanasan yang sangat tinggi, yang mengakibatkan berkurangnya sinyal SERS. Karena penguapan yang cepat, dapat menghemat banyak waktu untuk menyiapkan substrat SERS. Singkatnya, substrat yang dibuat dapat secara efisien memperkaya zat terlarut ke dalam area yang jauh lebih kecil dalam waktu 10 menit untuk larutan Ag 5 μL.

a –c Gambar mikroskop optik dan d –g gambar SEM dari agregasi nanopartikel Ag pada PTFE asli dengan kelipatan yang berbeda. h , i Gambar mikroskop optik dan j , k gambar SEM dari agregasi nanopartikel Ag pada PTFE terukir dengan kelipatan yang berbeda. Seluruh kotak kecil berwarna oranye mewakili area yang diperbesar dan garis putus-putus putih melingkari area akhir akumulasi nanopartikel Ag

Karena kemampuan penginderaan ukiran PTFE sangat tergantung pada hidrofobisitas permukaan, ukuran area penginderaan, dan konsentrasi awal nanopartikel Ag, kami menyelidiki parameter ini dengan membuat substrat PTFE yang ditunjuk. Intensitas puncak Raman utama pada 1322 cm ⁻¹ dari MB (1 × 10 ⁻⁹ M) diperoleh pada berbagai substrat SERS. Kami menyelidiki efek dari panjang langkah terukir, daya keluaran, kecepatan ukiran, dan ukuran diameter lingkaran pada hidrofobisitas permukaan. Perlu diperhatikan bahwa panjang langkah terukir, daya keluaran, kecepatan pengukiran, dan diameter lingkaran akan membatasi satu sama lain dan memengaruhi kemampuan penginderaan substrat. Untuk memahami lebih jelas bagaimana setiap faktor mempengaruhi kemampuan penginderaan, ketiga variabel tetap sama dan salah satunya diubah.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, sudut kontak (garis merah) dan intensitas Raman (garis hitam) berkurang dengan bertambahnya panjang langkah pengukiran. Alasannya adalah semakin kecil panjang langkah ukiran, semakin padat struktur mikro/nanonya. Dengan bantuan struktur mikro/nano yang lebih padat di luar lingkaran, zat terlarut dapat berhasil diperkaya ke dalam lingkaran kecil ini, dan kemudian kemampuan penginderaan substrat ditingkatkan. Karena keterbatasan presisi mesin pengukiran laser, 0,02 mm adalah panjang langkah pengukiran minimum dalam pekerjaan ini. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, dengan peningkatan daya keluaran, sudut kontak meningkat tetapi intensitas Raman menunjukkan tren peningkatan pertama dan kemudian penurunan. Dengan peningkatan daya keluaran, PTFE asli dihancurkan dan dihilangkan oleh laser yang kuat, yang mengarah ke lebih banyak mikro/struktur nano pada permukaan substrat. Karena semakin banyak mikro/struktur nano, permukaan substrat menjadi lebih hidrofobik, terbukti dengan meningkatnya sudut kontak. Khususnya, struktur mikro atau nano yang berlebihan memiliki efek buruk pada peningkatan sinyal Raman molekuler. Alasannya adalah bahwa mikro/struktur nano yang cukup membuat substrat menjadi superhidrofobik, yang mampu memperkaya analit ke dalam lingkaran hidrofobik, tetapi fragmen PTFE yang berlebihan mudah menutupi lingkaran hidrofobik kecil seiring dengan peningkatan daya laser. Selanjutnya, zat terlarut tetap berada di mikro/struktur nano setelah proses penguapan menyebabkan hilangnya zat terlarut, yang menyebabkan melemahnya intensitas Raman. Dapat disimpulkan bahwa PTFE terukir yang dibuat oleh laser keluaran 20% adalah substrat SERS yang optimal.

a Hubungan antara sudut kontak, intensitas Raman, dan kecepatan pengukiran (daya keluaran:20%; kecepatan pengukiran:55 mm/s; diameter lingkaran:0,5 mm; konsentrasi Ag:1,19 × 10 ⁻¹² M). b Hubungan antara sudut kontak, intensitas Raman, dan daya keluaran (panjang langkah pengukiran:0,02 mm; kecepatan pengukiran:55 mm/s; diameter lingkaran:0,5 mm; konsentrasi Ag:1,19 × 10 ^{− 12} M). c Hubungan antara sudut kontak, intensitas Raman, dan kecepatan pengukiran (panjang langkah pengukiran:0,02 mm; daya keluaran:20%; diameter lingkaran:0,5 mm; konsentrasi Ag:1,19 × 10 ⁻¹² M) d Hubungan antara sudut kontak, intensitas Raman, dan diameter lingkaran (panjang langkah pengukiran:0,02 mm; daya keluaran:20%; kecepatan pengukiran:55 mm/dtk; konsentrasi Ag:1,19 × 10 ^{− 12} M)

Pada Gambar. 4c, sudut kontak menurun dan intensitas Raman meningkat dan kemudian menurun seiring dengan peningkatan kecepatan pengukiran. Dibandingkan dengan sudut kontak pada Gbr. 4b dan Gbr. 4c, disimpulkan bahwa efek kecepatan ukiran pada permukaan PTFE berlawanan dengan daya keluaran. Alasannya adalah dengan meningkatnya kecepatan laser, waktu pemaparan titik laser pada permukaan PTFE menjadi lebih pendek, menyebabkan PTFE asli kurang terablasi. Oleh karena itu, lebih sedikit mikro/struktur nano yang dihasilkan, yang menyebabkan penurunan sudut kontak. Menurut hubungan antara intensitas Raman dan kecepatan pengukiran, substrat SERS yang dihasilkan oleh kecepatan laser 55 mm/dtk memiliki kemampuan penginderaan terbaik. Jadi, 55 mm/s dipilih sebagai kecepatan terukir dalam eksperimen. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d, sudut kontak dan intensitas Raman akan menurun dengan meningkatnya diameter lingkaran. Karena lingkaran adalah PTFE yang tidak diolah, area ini mempertahankan sifat pembasahan aslinya, keadaan hidrofobik. Ketika setetes larutan diteteskan ke dalam substrat PTFE yang terukir, tetesan tersebut cenderung tetap berada di lingkaran hidrofobik. Karena tolakan air pada struktur superhidrofobik di samping lingkaran, tetesan pada PTFE terukir memiliki sudut kontak yang cukup besar. Dengan bertambahnya diameter lingkaran, area kontak antara tetesan dan permukaan meningkat dan tetesan perlahan-lahan akan rata daripada berbentuk bulat. Karena volume tetesan pada substrat yang berbeda adalah sama, sudut kontak berkurang secara bertahap. Efeknya mengubah permukaan ukiran PTFE dari superhidrofobik menjadi hidrofobik, yang dapat mempengaruhi pengayaan zat terlarut, menyebabkan hilangnya zat terlarut dan akhirnya melemahkan sinyal Raman. Pada saat yang sama, dengan meningkatnya diameter lingkaran, nanopartikel Ag akan menyebar ke wilayah yang lebih besar, yang akan meningkatkan celah antara nanopartikel Ag dan kemudian melemahkan sinyal SERS. Di sisi lain, karena peningkatan diameter lingkaran, analit tersebar di area yang lebih besar, membuat deteksi SERS sulit. Singkatnya, intensitas Raman molekul akan melemah dengan meningkatnya diameter lingkaran. Karena keterbatasan presisi mesin pengukiran laser, 0,5 mm adalah diameter lingkaran minimal.

Sementara itu, konsentrasi awal nanopartikel Ag juga mempengaruhi intensitas SERS yang ditunjukkan pada file tambahan 1:Gambar S6. Dengan meningkatnya konsentrasi nanopartikel Ag, intensitas Raman meningkat secara dramatis dan kemudian cenderung stabil. Dengan peningkatan nanopartikel Ag, ada lebih banyak “titik panas” pada substrat, yang mengarah pada peningkatan sinyal Raman. Pembahasan lebih rinci terdapat pada informasi pendukung. Untuk menyimpan nanopartikel Ag, 1,19 × 10 ⁻¹² Larutan koloid M Ag dipilih sebagai konsentrasi awal nanopartikel Ag. Singkatnya, dalam karya ini, panjang langkah pengukiran 0,02 mm, daya keluaran 20%, kecepatan pengukiran 55 mm/dtk, diameter lingkaran 0,5 mm, dan 1,19 × 10 ⁻¹² Nanopartikel M Ag dipilih.

Untuk mewujudkan beberapa deteksi pada substrat yang sama, PTFE terukir dibuat menjadi pelat 24-sumur (Gbr. 5a), yang mirip dengan pelat 24-sumur untuk kultur sel. Substrat yang diperoleh dapat mendeteksi zat yang berbeda secara bersamaan pada PTFE terukir yang sama. Sementara itu, struktur mikro/nano pada permukaan PTFE yang terukir dapat bertindak sebagai sumur virtual antara dua tetesan yang berbeda, yang dapat mencegah tetesan yang berbeda untuk bergabung. Untuk menjelaskan lebih lanjut keunggulan substrat PTFE terukir dengan microarrays, PTFE asli dipilih untuk perbandingan. Spektrum SERS molekul MB ditunjukkan pada Gambar 5b. Intensitas sinyal SERS MB yang diperoleh pada microarrays jelas merupakan peningkatan yang sangat besar dibandingkan dengan PTFE asli. Telah diketahui bahwa nanopartikel Ag yang menguap pada substrat asli cenderung menyebar pada area yang jauh lebih besar daripada pada PTFE terukir menurut Gambar. 3. Oleh karena itu, nanopartikel Ag, yang terdispersi pada PTFE asli, jauh dari satu sama lain bahkan di tepi, memberikan sinyal Raman yang buruk. Namun, dalam hal PTFE dengan microarrays, itu bisa membuat nanopartikel besar berkumpul bersama dan pengurangan jarak antara nanopartikel dapat meningkatkan sinyal SERS. Seperti dilaporkan sebelumnya [17,18,19], semakin kecil ukuran celah, semakin kuat medan elektromagnetik celah antara dua nanopartikel. Di sisi lain, PTFE terukir memiliki kemampuan untuk mengkonsentrasikan molekul analit dalam larutan berair super encer sementara PTFE asli tidak, menyebabkan lebih banyak molekul di dalam area fokus titik laser insiden pada PTFE terukir dibandingkan dengan PTFE asli. Sementara itu, karena efek kondensasi superhydrophobic, substrat dapat membantu molekul dikirim ke area hot-spot [20]. Patut dicatat bahwa probabilitas tinggi untuk memperoleh sinyal SERS molekul adalah faktor lain yang sangat penting dari substrat SERS aktif. Untuk membuktikan bahwa kemungkinan pendeteksian molekul MB pada PTFE terukir lebih tinggi daripada pada PTFE asli, pengukuran pemetaan sistematis dilakukan dan konsentrasi molekul adalah 1 × 10 ⁻⁹ M, seperti yang ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S7. Gbr. 5c, d masing-masing menunjukkan spektrum molekul MB dan molekul R6G, yang dikumpulkan pada substrat PTFE SERS terukir. Diilustrasikan bahwa sinyal Raman dari molekul MB secara bertahap melemah dengan penurunan konsentrasi molekul sementara puncak utama dapat dibedakan dan konsentrasi batas deteksi adalah 1 × 10 ⁻¹⁴ M, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c. Selain itu, konsekuensi analog ditemukan oleh spektrum R6G seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5d. Untuk membuktikan pemanfaatan PTFE terukir dalam aplikasi biologis, protein, bovine serum albumin (BSA), digunakan untuk menguji kinerja substrat SERS yang dikembangkan. BSA dengan berbagai konsentrasi terdeteksi di dalam air, dan spektrum Raman ditunjukkan pada Gambar 5e. Selanjutnya, batas deteksi MB, R6G, dan BSA yang terdeteksi pada berbagai media atau menggunakan metode yang berbeda tercantum dalam File tambahan 1:Tabel S1.

a Sketsa diagram mendeteksi zat pada PTFE terukir. b Spektrum SERS molekul MB dengan konsentrasi yang sama (1 × 10 ⁻⁹ M) diperoleh masing-masing pada PTFE asli dan PTFE terukir. c , d , dan e Spektrum SERS molekul MB, molekul R6G, dan BSA dengan berbagai konsentrasi masing-masing