Array Titik Nano Skalabel dan Berpola pada ITO melalui Elektrolisis untuk SERS Berkinerja Tinggi
Abstrak
Pembuatan perangkat luas dengan struktur nano yang dapat diola sangat penting untuk aplikasi praktis pada perangkat optik atau listrik. Dalam penelitian ini, kami menggambarkan metode mudah dan ramah lingkungan untuk menyiapkan array titik nano (ND) luas melalui reaksi elektrolisis lapisan logam oksida. ND dengan berbagai ukuran dan morfologi dapat diperoleh dengan menyesuaikan tegangan yang diberikan, waktu elektrolisis, dan ketebalan lapisan oksida timah indium (ITO). ND padat dengan ukuran 50–60 nm dapat diperoleh melalui elektrolisis lapisan ITO tebal 25 nm pada 150 V selama 1,5 menit di bawah medium titik air, yang telah diterapkan untuk spektroskopi Raman permukaan ditingkatkan (SERS) setelah menambahkan lapisan tipis perak. Substrat SERS dengan struktur ND yang dioptimasi menunjukkan deteksi sensitif Rhodamin 6G (R6G) dengan batas deteksi hingga 5 × 10-12 M. Faktor peningkatan (EF) sebesar 1.12 × 106 dan 6.79 × 105 telah dicapai untuk karakterisasi 4-metilbenzenotiol (4-MBT) dan R6G, masing-masing. Dengan langkah litografi cahaya tambahan, beberapa area array ND dapat dibuat pada satu substrat, yang memungkinkan deteksi simultan berbagai sampel yang mengandung berbagai molekul dalam satu eksperimen. Metode ini cepat, mudah, dapat diola, dan ramah lingkungan, sehingga cocok untuk penentuan cepat dan sinkron berbagai molekul untuk aplikasi di bidang perawatan primer, pemantauan lingkungan, dan keamanan bandara.
Pendahuluan
Spektroskopi Raman permukaan ditingkatkan (SERS) pertama kali diamati beberapa dekade lalu pada permukaan elektroda perak yang kasar [1]. Metode ini telah banyak diteliti tidak hanya untuk memahami mekanisme SERS, tetapi juga untuk mencapai aplikasi praktis. Dua seri klasik substrat SERS telah dikembangkan, yaitu materi koloid yang tersusun sendiri dan struktur nanofabrikasi [2]. Nanopartikel logam koin seperti Ag, Au, dan Cu telah disintesis untuk studi SERS [3, 4]. Sistem nanoparticle mudah digunakan, namun kurang dapat diulang dan direproduksi dengan sensitivitas yang relatif rendah [5, 6]. Struktur nano yang dibuat melalui litografi berkas elektron [7, 8], litografi interferensi laser [9, 10], litografi berkas ion terfokus [11], litografi nanobola [12], dan litografi nanoimprint [13] telah menunjukkan peningkatan sinyal yang tinggi dengan pengulangan yang baik. Namun, teknologi nanofabrikasi ini memerlukan peralatan mahal dan lingkungan yang terbatas seperti ruang bersih ultra; proses pembuatannya juga lambat.
Karena SERS dapat langsung digunakan untuk penginderaan dan identifikasi molekula dalam medium air tanpa gangguan air, metode ini telah banyak diterapkan untuk penginderaan molekul kecil dan biomolekul [14, 15, 16]. Untuk aplikasi yang lebih baik dan lebih luas, pembuatan microarray substrat SERS yang mudah dan cepat masih sangat dibutuhkan untuk deteksi simultan berbagai molekul, terutama untuk aplikasi dalam teknologi perawatan primer (POCT) dan pemantauan keamanan. Keduanya, susunan partikel koloid dan teknologi nanofabrikasi melibatkan berbagai jenis kimia atau konsumsi energi tinggi, misalnya kimia khusus atau gas untuk sintesis partikel dan proses etik kering, masing-masing, serta konsumsi energi tinggi untuk desain dan penyetelan lapis demi lapis yang rumit. Berbagai polusi yang tidak ramah lingkungan dihasilkan selama proses, seperti organik, asam, basa, ion logam berat, dan gas etik beracun.
Lapisan ITO dapat disiapkan melalui teknologi penyetoran logam standar dan banyak digunakan di laboratorium dan industri sebagai substrat konduktif berdasarkan transparansi dan biaya rendah. Gao et al. telah melaporkan bahwa lapisan ITO dapat berubah menjadi titik indium (In) di bawah polarisasi katodik dalam larutan NaOH [17].
Dalam penelitian ini, kami mengusulkan dan memverifikasi teknologi yang lebih sederhana, lebih cepat, dan lebih hijau dengan membuat NDs pada permukaan kaca melalui elektrolisis langsung lapisan ITO dalam air dalam satu langkah. Dengan proses litografi cahaya tambahan, array ND dapat dibuat dengan beberapa area terpisah yang terpola, sehingga memungkinkan penentuan simultan beberapa sampel yang mengandung berbagai jenis molekul pada satu substrat. Elektrolisis terjadi di bawah kondisi yang ringan pada tegangan rendah dalam medium/lingkungan air.
Bahan dan Metode
Bahan dan Reagen
Kaca ITO (tebal 1,1 mm) dibeli dari Luoyang Longqian Glass Co., Ltd. (Henan, China), dengan ketebalan ITO sebesar 25, 50, 100, dan 200 nm yang sesuai dengan resistansi persegi sebesar 93,52, 31,05, 15,86, dan 6,97 Ω/sq, masing-masing. Kaca oksida timah difluor (FTO) (tebal 2,2 mm) dibeli dari Yaoke Photoelectric Co., Ltd. (Jiangsu, China), dengan ketebalan FTO 400 nm dan resistansi persegi 10,85 Ω/sq. Air deionisasi (DI) (18,25 MΩ cm pada 25 °C) disiapkan menggunakan sistem pemurnian air Milli-Q Plus (Sichuan Wortel Water Treatment Equipment Co., Ltd., Sichuan, China). Etanol (Damao Chemical Reagent Factory, Tianjin, China) dan aseton (Zhiyuan Chemical Reagent Co., Ltd., Tianjin, China) digunakan untuk membersihkan kaca ITO. Fotoresist SUN-120P dibeli dari Suntific Microelectronic Materials Co., Ltd. (Shandong, China) untuk pola ITO. 4-Metilbenzenotiol (4-MBT, 98%), natrium 2-mersetioetanosulfonat (MESNa, ≥ 98,0%) dan hidroklorida dopamin semuanya dibeli dari Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, AS). Rhodamin 6G (R6G, 98,5%) dibeli dari J&K Scientific (Beijing, China). Hidroksida kalium (KOH, GR 95%) dan melamin (99%) dibeli dari Aladdin (Shanghai, China). D-(+)-Glukosa (99%) dibeli dari Alfa Aesar (Shanghai, China). Metilen biru (AR), urea (AR, ≥ 99,0%) dan asam fosforik (AR, 85%) dibeli dari Damao Chemical Reagent Factory (Tianjin, China). Larutan formaldehida (AR, 37–40%), fosfat natrium dihidrogen dehidrat (AR, ≥ 99,0%), dan fosfat hidrogen natrium dosidodekahidrat (AR, ≥ 99,0%) dibeli dari Guangzhou Chemical Reagent Factory (Guangzhou, China). Semua kimia digunakan sebagaimana adanya.
Elektrolisis Lapisan ITO dalam Air
Substrat kaca ITO pertama dipotong dan dibersihkan secara berurutan dalam aseton, etanol, dan air DI, masing-masing berlangsung selama 15 menit, kemudian dicuci bersih dengan air DI dan kering dengan peniupan nitrogen. Gambar 1 menunjukkan skematik proses pembuatan. Sejumlah tetes air DI ditetapkan pada permukaan ITO sebagai medium elektrolisis. Seutas kawat wolfram (W) dimasukkan ke dalam tetes dan terhubung ke elektroda positif, dan lapisan ITO terhubung ke elektroda negatif sumber listrik (PSW800-1.44, GWINSTEK, Taiwan, China), seperti digambar dalam Gambar 1a. Ketika tegangan diberikan di seluruh air, ITO diurai elektrolitik untuk membentuk ND In dalam area medium air (Gambar 1b).
Skematik pembentukan ND In dari elektrolisis lapisan ITO. a Kondisi awal tetes air yang menempati lapisan ITO tanpa memberikan tegangan. b Pembentukan ND pada area yang ditutupi air ketika tegangan diberikan. c Citra SEM permukaan lapisan ITO utuh yang sesuai dengan a. d Citra SEM ND yang terbentuk yang sesuai dengan b (tegangan 150 V selama 1,5 menit pada ketebalan lapisan ITO 25 nm). e Spektra XRD lapisan ITO sebelum dan setelah elektrolisis. f Citra TEM ND In yang diperoleh
Selain itu, lapisan ITO dapat dengan mudah diola ke berbagai area dalam skala mikrometer hingga sentimeter. Lapisan ITO juga dapat diola menjadi array dengan berbagai area terisolasi yang terdiri dari ND untuk mencapai beberapa area fungsional pada satu substrat. Hal ini sangat penting untuk perangkat deteksi throughput tinggi/beberapa. Untuk membentuk array ND yang diola, permukaan kaca ITO sebesar 3,5 × 3,5 cm2 diola menjadi area persegi terpisah melalui proses litografi cahaya. Setelahnya, substrat ITO dengan pola kisi dan substrat ITO datar ditempel saling menghadap untuk membentuk perangkat paralel yang diampatkan dengan bingkai perekat tekan tebal 200 μm dan diisi dengan air DI. ITO datar dan ITO yang diola terhubung ke elektroda positif dan negatif sumber listrik, masing-masing. Metode ini sangat cocok untuk persiapan array ND luas dan yang diola.
Pengukuran SERS
Dengan menyesuaikan tegangan yang diberikan, waktu elektrolisis, dan ketebalan lapisan ITO, ukuran dan kepadatan ND dapat bervariasi. ND yang terbentuk biasanya berukuran puluhan hingga ratusan nanometer yang tersusun rapat, membentuk nanokelah. Substrat SERS kemudian diperoleh dengan menyetorkan lapisan tipis Ag (PD400, Wuhan PDVACUUM Technologies Co., Ltd., Wuhan, China).
Untuk mengkarakterisasi sensivitas substrat SERS ini, spektral Raman diukur menggunakan Mikroskop Raman Renishaw inVia (Renishaw 42 K846, Renishaw Co., Ltd., Inggris). Substrat SERS direndam dalam larutan analit selama 1 jam kemudian dicuci bersih selama 1 menit menggunakan pelarut yang sesuai dan dikeringkan dengan gas nitrogen murni. Substrat SERS yang kering kemudian ditempatkan pada panggung mikroskop Raman untuk pengukuran. Laser 532 nm dengan daya ~ 0,14 mW difokuskan pada sampel melalui lensa objektif × 50 (buka numerik, NA = 0,5, Leica). Diameter spot laser pada substrat adalah 1,30 μm. Pengikiran laser elastis yang dieksitasi dihapus dengan filter tepi. Setiap spektral Raman dikumpulkan dengan waktu akumulasi 10 detik.
Selain itu, untuk mengevaluasi keseragaman dan deteksi cepat, sembilan molekul uji 4-MBT, R6G, hidroklorida dopamin, urea, formaldehida, metilen biru, MESNa, d-(+)-Glukosa, dan melamin dipilih untuk mengkarakterisasi substrat SERS yang disiapkan untuk penentuan simultan berbagai molekul. 4-MBT dan metilen biru dilarutkan dalam etanol. MESNa dilarutkan dalam air DI dengan pH 2,7 yang diatur dengan larutan penyeimbang fosfat. Larutan d-(+)-Glukosa disiapkan menggunakan larutan penyeimbang fosfat dengan pH 7,5. Semua larutan sampel lainnya disiapkan dengan dilarutkan dalam air DI. Untuk setiap pengukuran, sejumlah tetes 3,0 μL larutan yang disiapkan segera ditetapkan pada substrat, dan spektral Raman dicatat segera. Konsentrasi analit adalah 10-4, 5 × 10-11, 10-3, 0,5, 10-3, 10-5, 10-2, 1, dan 10-2 M untuk larutan etanol 4-MBT, larutan air R6G, larutan hidroklorida dopamin, larutan air urea, larutan formaldehida, larutan etanol metilen biru, larutan MESNa, larutan d-(+)-glukosa, dan larutan air melamin, masing-masing. Semua pengukuran dilakukan segera menggunakan instrumen Raman (Finder Insight, Zolix Instruments Co., Ltd., Beijing, China) dengan laser eksitasi panjang gelombang 532 nm dan daya 2,5 mW. Sinar laser berdiameter 10 μm difokuskan pada sampel melalui objektif × 50 (NA = 0,55). Setiap spektral Raman dikumpulkan selama 0,3 detik/kali, dengan 10 kali akumulasi.
Karakterisasi Lainnya
Morfologi substrat yang dibuat dikarakterisasi menggunakan mikroskop elektron pemindai emisi lapangan (FE-SEM) (ZEISS-Ultra 55, Carl Zeiss AG, Jerman) pada tegangan percepatan 5 kV. Pengukuran mikroskop elektron transmisi (TEM) dilakukan menggunakan mikroskop JEM-2100 (JEM-2100HR, JEOL, Jepang). Nanotitik (nanopartikel) diambil dan disperdi dalam air DI. Komposisi kimia dianalisis menggunakan spektroskopi energi dispersif (EDS) yang dilengkapi pada FE-SEM dan difraksi sinar-X (XRD) (X’Pert PRO, PANalistical, Belanda) yang dilengkapi sumber radiasi Cu Ká, dengan laju pemindaian 0,04°/s, dan sudut difraksi (2θ) dari 20 hingga 65°. Spektra absorpsi dicatat dalam rentang panjang gelombang 440–650 nm menggunakan spektrometer (USB 2000+, Ocean Optics, AS).
Hasil dan Pembahasan
Pembentukan Nanotitik melalui Elektrolisis Lapisan ITO dalam Medium Air
Lapisan ITO sebagai substrat konduktif transparan telah banyak diterapkan dalam perangkat optoelektronik seperti perangkat emissi cahaya (LED) [18], layar [19], dan sel surya [20]. Secara umum, korosi ITO merugikan aplikasi perangkat elektronik. Di sisi lain, kami memanfaatkan korosi ITO yang diinduksi oleh reaksi elektrolisis untuk membentuk ND yang tersusun rapat dan digunakan untuk aplikasi SERS. Skematik pembentukan ND yang diinduksi elektrolisis ditunjukkan dalam Gambar 1a, b. Permukaan lapisan ITO datar dan transparan sebelum elektrolisis (Gambar 1c). Secara umum, ITO terdiri dari In2O3 dan SnO2 dalam proporsi yang berbeda. EDS dilakukan untuk mengkarakterisasi komposisi ITO, seperti ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S1. Setelah periode reaksi elektrolisis, permukaan ITO menjadi transparan dan kuning setelah kering. Dikarakterisasi dengan SEM, kami menemukan bahwa ND yang tersusun rapat pada permukaan kaca terbentuk pada permukaan kaca (Gambar 1d). Pengukuran XRD dalam Gambar 1e menunjukkan bahwa tiga puncak baru muncul setelah elektrolisis, yang sesuai dengan bidang kristal (101), (002), dan (110) elemen In. Namun, puncak ITO menjadi lebih rendah. Citra TEM dalam Gambar 1f memastikan bahwa ND yang terbentuk adalah bahan In.
Lapisan ITO adalah bahan logam oksida dengan morfologi kristal dan amorfa, dengan kekasaran permukaan skala nano biasanya [21]. Telah dilaporkan bahwa ITO dapat dikorosi oleh NaOH untuk membentuk nanopartikel In [17]. Ketika tegangan diberikan di seluruh lapisan ITO, elektron ditransfer antara katoda dan anoda. Oleh karena itu, reaksi elektrokimia pada katoda dan anoda dapat dijelaskan oleh Eqs. (1) dan (2):
Oleh karena itu, proses pembentukan ND dapat diilustrasikan dalam Gambar 2. Pada awalnya, reaksi elektrolisis homogen di seluruh permukaan ITO. Namun, lapisan ITO tidak sempurna homogen dengan variasi ketebalan lapisan yang ada sesuai proses pembuatan ITO biasa, terutama untuk lapisan ITO amorf [22]. Oleh karena itu, dengan evolusi waktu, area yang lebih tipis akan terkonsumsi lebih cepat untuk membentuk defek sesuai dengan kekuatan medan listrik yang lebih tinggi dan ketebalan yang lebih kecil. Setelah mencapai konsentrasi saturasi dalam air, atom In yang direduksi mulai menumpuk untuk membentuk ND pada permukaan. Selama elektrolisis, perubahan transparansi dan warna yang jelas dapat diamati setelah beberapa waktu. Menurut efek tegangan antarmuka selama proses dewetting, sejumlah besar terbentuk pada permukaan. Metode ini, tanpa persyaratan perlakuan dan kimia khusus, direalisikan dalam medium air dengan tegangan yang diberikan dan dapat dianggap sebagai teknologi ramah lingkungan.
Ilustrasi skematik proses pembentukan ND In dari elektrolisis lapisan ITO
Parameter Elektrolisis: Waktu Reaksi, Tegangan yang Diberikan, dan Ketebalan Lapisan ITO
Ukuran dan kepadatan ND terkait dengan ketebalan lapisan ITO dan kinestika reaksi [23]. Dalam penelitian ini, faktor efektif waktu reaksi, tegangan yang diberikan, dan ketebalan lapisan ITO semuanya diteliti untuk menemukan proses pembentukan ND. Dengan cara ini, parameter eksperimen dapat dioptimasi untuk menyiapkan substrat SERS dengan sensivitas tinggi. Gambar 3a menunjukkan citra SEM ND yang diperoleh pada kaca (ITO tebal 25 nm) pada tegangan 150 V pada waktu reaksi yang berbeda. Hal ini jelas menunjukkan proses pembentukan berurutan dari lapisan ITO kontinu (Gambar 1c) ke ND kecil yang terbenam dalam lapisan, ND kasar, ND halus, dan ND yang berdiri dan terpisah, seperti ditunjukkan dalam citra Gambar 3a dari kiri ke kanan, masing-masing. Perubahan bertahap ini dalam morfologi dan ukuran dapat dipahami melalui reaksi elektrolisis lapisan ITO dan proses pembentukan ND yang dikontrol difusi.
Pembuatan ND di bawah berbagai kondisi eksperimen dengan mengubah a waktu reaksi, pada tegangan konstan 150 V dan ketebalan lapisan ITO 25 nm, b tegangan, pada ketebalan lapisan ITO konstan 25 nm dan waktu reaksi 1,5 menit, dan c ketebalan lapisan ITO, pada tegangan konstan 150 V dan waktu reaksi 1,5 menit
Pada awalnya, lapisan ITO mulai bereaksi pada permukaan lapisan. Biasanya, kekuatan medan listrik di area yang lebih tipis lebih tinggi; sehingga kecepatan reaksi awal lebih tinggi. Akibatnya, defek akan terbentuk pada lapisan kontinu dari titik-titik tipis (area), di mana atom In yang dihasilkan menumpuk untuk membentuk ND. Pada tahap ini, ND kecil yang terbentuk masih berada di area defek, dikelilingi oleh lapisan ITO. Seiring bertambahnya waktu reaksi, sebagian besar bahan ITO direduksi untuk membentuk ND In pada permukaan. Ketika waktu reaksi mencapai 0,5 menit, sejumlah besar terbentuk, terbenam dalam lapisan ITO. Ketika waktu reaksi bertambah menjadi 1,5 menit, ukuran dan kepadatan ND meningkat, dan celah di antara ND berkurang. Dengan menambah waktu reaksi menjadi 3,0 dan 5,0 menit, ND yang diperoleh menjadi lebih besar dan lebih bulat, dan celah di antara ND juga bertambah. Pengukuran listrik menunjukkan bahwa area ND tidak konduktif listrik. Ini berarti bahwa ND terisolasi diperoleh tanpa interkoneksi kontinu. Dari citra SEM dalam Gambar 3a, kami dapat mengamati bahwa, pada waktu reaksi 1,5 menit, ND yang terbentuk memiliki ukuran yang cukup seragam dan tersusun rapat. Celah yang lebih kecil biasanya berarti peningkatan elektromagnetik yang lebih kuat. Oleh karena itu, 1,5 menit dipilih untuk menyiapkan sampel SERS untuk eksperimen lebih lanjut.
Selanjutnya, kami menyelidiki efek tegangan pada ukuran dan kepadatan ND yang terbentuk. Kaca ITO dengan ITO tebal 25 nm telah dipilih untuk eksperimen ini, dan reaksi elektrolisis dilakukan pada berbagai tegangan selama 1,5 menit. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 3b, kepadatan ND yang terbentuk meningkat dengan tegangan. Pada tegangan rendah 50 dan 100 V, jumlah ND yang terbentuk rendah; dan demikian, pada area yang sama, kepadatannya rendah, terpisah secara jelas satu sama lain. Ketika tegangan ditingkatkan menjadi 150 dan 200 V, lebih banyak ND terbentuk, menunjukkan pola yang tersusun rapat. Ukuran seragam dan kepadatan tinggi sangat penting untuk mendapatkan spektral Raman yang dapat direproduksi dengan sensivitas tinggi. Oleh karena itu, tegangan optimal untuk persiapan substrat SERS ditetapkan pada 150 V.
Gambar 3c menunjukkan citra SEM ND yang terbentuk dari lapisan ITO tebal 25, 50, 100, dan 200 nm melalui reaksi elektrolisis pada 150 V selama 1,5 menit. Dalam kasus lapisan ITO tebal 25 nm, kepadatan lebih tinggi dan ND yang lebih seragam diamati dibandingkan dengan tiga lapisan ITO lain dengan ketebalan 50, 100, dan 200 nm. Seperti dilaporkan, kekasaran permukaan dan resistivitas substrat konduktif mempengaruhi kristalinitasnya [22]. Biasanya, kekasaran permukaan bertambah dengan ketebalan lapisan. ND yang lebih seragam dari lapisan ITO yang lebih tipis dikaitkan dengan permukaan yang lebih datar dengan lebih sedikit defek. Oleh karena itu, lapisan ITO yang paling tipis menunjukkan kekasaran terendah, resulting in ND yang paling seragam. Di sisi lain, resistivitas lapisan ITO akan mempengaruhi proses pembentukan ND In awal. Resistansi persegi adalah 93,52, 31,05, 15,86, dan 6,97 Ω/sq untuk ketebalan lapisan ITO sebesar 25, 50, 100, dan 200 nm, masing-masing. Ini berarti, pada tegangan yang sama, arus listrik rendah diperoleh di seluruh lapisan ITO tipis. Akibatnya, reaksi lambat dan lemah dicapai pada lapisan tipis. Ini konsisten dengan hasil eksperimen bahwa ND yang lebih seragam dan lebih padat terbentuk dari lapisan ITO yang lebih tipis. Menurut hasil ini, parameter eksperimen untuk menyiapkan ND untuk aplikasi SERS dipilih menjadi ketebalan lapisan ITO 25 nm, tegangan 150 V, dan waktu reaksi elektrolisis 1,5 menit. Selain itu, lapisan FTO juga telah diterapkan untuk elektrolisis. Seperti ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S2, mikro- dan nanopartikel terbentuk setelah elektrolisis. Ini mungkin menunjukkan bahwa reaksi elektrolisis ini juga berlaku untuk lapisan logam oksida lain pada berbagai kondisi dan potensi untuk aplikasi lain.
Karakterisasi SERS
Untuk mengevaluasi efek SERS substrat yang dibuat dengan ND padat, 4-MBT dipilih sebagai molekul uji karena puncaknya yang terkarakterisasi baik dan rentang lintang Raman yang besar [24]. Lapisan tipis Ag ditetapkan pada substrat yang diperoleh (disiapkan dalam kondisi yang dioptimasi seperti disebutkan di atas) dengan ND padat. Citra SEM dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S3a–c menunjukkan morfologi ND yang ditutupi Ag, pada ketebalan lapisan Ag sebesar 30, 77, dan 160 nm, masing-masing. Dengan mengubah ketebalan lapisan Ag, celah di antara ND berkurang. Intensitas Raman rata-rata tertinggi diperoleh pada ketebalan Ag 77 nm (Berkas Tambahan 1: Gambar S3d).
Gambar 4a, b menunjukkan karakterisasi SERS detail pada substrat dengan ND In yang disiapkan dalam kondisi yang dioptimasi dan ditutupi dengan Ag setebal 77 nm. Sampel referensi disiapkan dengan langsung menyetorkan film Ag 77 nm pada kaca ITO (25 nm). Sinyal Raman ditingkatkan secara signifikan pada substrat SERS ND dibandingkan substrat referensi. Dua puncak karakteristik utama untuk molekul 4-MBT pada 1079 dan 1594 cm-1 dengan jelas diamati pada substrat SERS ND. Puncak 1079 cm-1 mewakili kombinasi modus bernafas cincin fenil, lengkungan C–H dalam bidang dan peregangan C–S. Puncak pada 1594 cm-1 dapat diatribusikan pada gerakan peregangan fenil (modus getaran 8a) [25].
a Spektra Raman 10-4 M 4-MBT pada substrat SERS dengan ND yang disiapkan dalam kondisi yang dioptimasi. b 10 spektral Raman 10-4 M 4-MBT yang dikumpulkan pada substrat SERS dengan memindahkan substrat secara acak pada panggung instrumen Raman. c Spektra Raman 5 × 10-7 M R6G pada substrat SERS yang disiapkan. d Spektra Raman R6G dengan konsentrasi 5 × 10-12, 5 × 10-11, 5 × 10-10, 5 × 10-9, 5 × 10-8, dan 5 × 10-7 M pada substrat SERS. Substrat referensi disiapkan dengan menyetorkan Ag 77 nm pada film ITO (25 nm) polos.
Untuk menyelidiki homogenitas relatif di area luas substrat SERS ND yang disiapkan, 10 pengukuran dilakukan pada substrat yang sama dengan memindahkan sampel secara acak pada panggung instrumen Raman. Gambar 4b menunjukkan spektral Raman yang diukur, yang menunjukkan intensitas sinyal yang cukup konsisten untuk setiap puncak karakteristik 4-MBT. Simpangan baku relatif (RSD) dari intensitas Raman pada 1594 cm-1 sekitar 4,1%, yang menunjukkan reproduksi sinyal yang tinggi dari substrat SERS yang disiapkan melalui proses yang diusulkan ini.
Selain itu, R6G juga dipilih untuk menunjukkan keandalan dan sensivitas substrat SERS. Gambar 4c menunjukkan spektral Raman yang diukur pada substrat SERS ND yang baru disiapkan dan film Ag referensi. Puncak karakteristik R6G diamati pada 614, 771, 1187, 1362, 1507, 1571, dan 1648 cm-1. Puncak pada 614, 771, dan 1187 cm-1 diatribusikan pada lengkungan cincin C–C–C dalam bidang, lengkungan C–H di luar bidang, dan getaran peregangan C–O–C, masing-masing. Dan puncak pada 1362, 1507, 1571, dan 1648 cm-1 terkait dengan getaran peregangan C–C aromatik [26].
Gambar 4d menunjukkan spektral Raman pada substrat SERS ND yang baru disiapkan dalam larutan air R6G dengan konsentrasi yang bervariasi dari 5 × 10-12 hingga 5 × 10-7 M. Intensitas Raman R6G berkurang secara jelas dengan penurunan konsentrasi R6G. Puncak karakteristik R6G masih dapat diidentifikasi dengan jelas bahkan pada konsentrasi R6G yang rendah hingga 5 × 10-12 M, yang menunjukkan sensivitas tinggi dari substrat SERS ND yang dibuat. Untuk mengkarakterisasi secara kuantitatif efek SERS substrat ND yang disiapkan, kami telah menghitung faktor peningkatan (EF). Spektra Raman bubuk murni 4-MBT dan R6G (Berkas Tambahan 1: Gambar S4), dan informasi detail perhitungan EF (Berkas Tambahan 1: Gambar S5) disajikan dalam informasi tambahan. EF untuk 4-MBT dan R6G dihitung sebesar 1.12 × 106 dan 6.79 × 105 pada puncak Raman karakteristik masing-masing 1079 dan 1648 cm-1. Selain itu, molekul dengan rentang lintang Raman yang lebih kecil MESNa [27] juga telah digunakan untuk pengukuran SERS, seperti ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S6, yang menunjukkan efek SERS yang andal.
Secara umum, peningkatan SERS dapat diatribusikan pada efek elektromagnetik (EM) dan kimiawi (CM) [28]. Berkas Tambahan 1: Gambar S7 menunjukkan spektral absorpsi substrat ND yang dilapisi film Ag 77 nm. Substrat referensi disiapkan dengan menyetorkan Ag 77 nm pada film ITO (25 nm) polos. Substrat ND dibuat di bawah parameter eksperimen yang dioptimasi dengan ketebalan lapisan ITO 25 nm, tegangan 150 V, dan waktu reaksi elektrolisis 1,5 menit. Ketika panjang gelombang eksitasi sama dengan atau dekat dengan puncak resonansi plasmon permukaan (SPR), pengikitan plasmonik elektromagnetik akan terjadi dan menginduksi peningkatan SERS yang kuat [29]. Puncak SPR substrat SERS ND berada pada ~ 453 nm (Berkas Tambahan 1: Gambar S7), yang dekat dengan panjang gelombang eksitasi 532 nm yang digunakan dalam eksperimen kami; oleh karena itu, peningkatan SERS terutama berasal dari peningkatan elektromagnetik menurut “titik panas” dari celah di antara ND. Untuk menyelidiki lebih lanjut peningkatan EM, simulasi domain waktu selisih hingga (FDTD) dilakukan untuk mempelajari medan listrik dalam celah di antara ND. Hasil medan listrik total relatif ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S8. Hasil simulasi menunjukkan bahwa peningkatan medan listrik terutama terjadi pada celah di antara ND. Faktor maksimum 3.0 mewakili peningkatan medan |E|2 sebesar 103 yang sesuai dengan EF sebesar 106, yang sesuai dengan baik dengan hasil eksperimen (1.12 × 106 pada 1079 cm-1 untuk 4-MBT dan 6.79 × 105 pada 1648 cm-1 untuk R6G).
Selain itu, bahan semikonduktor (In2O3, SnO2, TiO2) telah dilaporkan dapat meningkatkan sinyal SERS melalui transfer muatan di antara molekul dan bahan (misalnya, R6G dan oksida logam transisi, 4-merkaptobenzoat (4-MBA)/4-nitrobenzenotiol (4-NBT), dan SnO2), yang terkait dengan CM [28, 30,31,32,33]. ITO terdiri dari In2O3 dan SnO2 dalam proporsi yang berbeda. Setelah elektrolisis ITO dalam medium air, ND In terbentuk karena reaksi reduksi elektrokimia; dan pada saat yang sama, puncak ITO masih dapat diamati dengan jelas seperti ditunjukkan dalam Gambar 1e. Untuk menyelidiki seberapa besar peningkatan CM dari transfer muatan In2O3/SnO2-ke-molekul berkontribusi pada efek SERS yang diperoleh, spektral Raman 10-4 M 4-MBT dan 5 × 10-7 M R6G pada kaca ITO, substrat ND setelah elektrolisis ITO, kaca ITO yang dilapisi film Ag 77 nm, dan substrat ND yang dilapisi film Ag 77 nm diukur, masing-masing (Berkas Tambahan 1: Gambar S9). Substrat ND dibuat di bawah parameter eksperimen yang dioptimasi dengan ketebalan lapisan ITO 25 nm, tegangan 150 V, dan waktu reaksi elektrolisis 1,5 menit. Puncak Raman karakteristik 4-MBT dan R6G sulit dibedakan pada kaca ITO, substrat ND setelah elektrolisis ITO, dan kaca ITO yang dilapisi film Ag; namun, puncak Raman yang jelas 4-MBT dan R6G diamati pada substrat ND yang dilapisi film Ag. Oleh karena itu, peningkatan CM dari transfer muatan In2O3/SnO2-ke-molekul dianggap lemah, yang tidak signifikan dibandingkan dengan peningkatan EM. Efek SERS yang sangat ditingkatkan terutama berasal dari peningkatan elektromagnetik di antara celah di antara ND In.
Array ND yang Diola untuk Karakterisasi SERS Simultan Berbagai Sampel pada Satu Substrat
Seperti yang ditunjukkan pada sesi sebelumnya, metode ini dapat dengan mudah membuat ND melalui reaksi elektrolisis sederhana dan cepat pada lapisan ITO skala nano. Selain itu, lapisan ITO dapat diola dengan melindungi atau memotong sebagian lapisan, sehingga membentuk array pada satu substrat, seperti ditunjukkan secara skematik dalam Gambar 5a. Tiga substrat 3,5 × 3,5 cm2 telah diola menjadi area SERS 1 × 1, 3 × 3, dan 5 × 5, seperti ditunjukkan dalam Gambar 5b. Karena area ITO untuk reaksi elektrolisis ditingkatkan dibandingkan elektrolisis tetes, total jumlah muatan bertambah selama elektrolisis, yang menginduksi peningkatan arus dan penurunan resistensi. Menurut batas arus sumber listrik sebesar 1,512 A, tegangan keluaran maksimum ~ 75 V telah diterapkan untuk persiapan ND In dalam sel paralel yang diola. Waktu elektrolisis diteliti, seperti ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S10. Array ND dengan kepadatan dan keseragaman tertinggi diperoleh pada waktu reaksi 5,0 menit. Di sini, parameter yang dioptimasi dengan ketebalan lapisan ITO 25 nm, tegangan 75 V, dan waktu reaksi elektrolisis 5,0 menit digunakan untuk membuat substrat SERS luas dengan array ND yang diola. Array ND persegi 50 × 50 μm2 dengan jarak celah sekitar 5,0 μm telah dicapai, seperti ditunjukkan dalam Berkas Tambahan 1: Gambar S11.
a Skematik pola lapisan ITO menjadi array dengan beberapa area terisolasi yang berisi ND. b Citra array SERS 1 × 1, 3 × 3, dan 5 × 5 yang diola dari tiga substrat kaca ITO 3,5 × 3,5 cm2
Substrat dengan area 3 × 3 yang disiapkan dalam kondisi yang dioptimasi digunakan sebagai substrat SERS untuk deteksi beberapa sampel. Seperti diilustrasikan dalam Gambar 6a, 9 tetes individu (3,0 μL untuk masing-masing) yang berisi 9 larutan analit berbeda ditetapkan pada 9 area yang diola. 9 analit yang dipilih 4-MBT [25], R6G [26], hidroklorida dopamin [34], urea [35], formaldehida [36], metilen biru [37], MESNa [38, 39], d-(+)-Glukosa [40], dan melamin [41] ditempatkan pada substrat seperti ditandai sebagai sampel 1 hingga 9, masing-masing. Seperti terlihat dari Gambar 6b, semua 9 molekul menunjukkan puncak Raman karakteristik yang jelas. Ini telah membuktikan konsep penggunaan satu substrat untuk deteksi simultan berbagai sampel pada satu substrat.
a Skematik 9 tetes sampel yang berisi 9 molekul uji berbeda yang terdeteksi pada satu substrat dengan array SERS 3 × 3. b Spektra Raman 9 molekul uji pada setiap area SERS dari array 3 × 3
Kesimpulan
Secara singkat, kami telah mengusulkan dan memvalidasi metode sederhana, cepat, dan murah untuk pembuatan ND sebagai substrat SERS pada permukaan luas dengan struktur yang dapat diola. Pembentukan ND didasarkan pada elektrolisis lapisan ITO dalam medium air. Faktor waktu elektrolisis, tegangan yang diberikan, dan ketebalan lapisan ITO menentukan ukuran dan kepadatan ND. ND yang terdistribusi dengan baik dengan ukuran dalam rentang 50–60 nm telah diperoleh melalui elektrolisis lapisan ITO tebal 25 nm pada tegangan 150 V selama 1,5 menit (elektrolisis tetes). Substrat ND yang dibuat telah dievaluasi berdasarkan efek SERS setelah menyetorkan ~ 77 nm Ag, menggunakan berbagai molekul uji. Spektra Raman yang dapat direproduksi dan sensitif telah diperoleh untuk 4-MBT dan R6G dengan EF sekitar 1.12 × 106 dan 6.79 × 105, masing-masing. Selain itu, dikombinasikan dengan litografi cahaya, substrat 3,5 × 3,5 cm2 dapat diola dengan 1, 9, atau 25 area SERS, untuk yang deteksi beberapa sampel dapat dilakukan secara simultan pada satu substrat dengan hanya satu tetes masing-masing larutan analit. Ini sangat dibutuhkan untuk kualifikasi cepat molekul tertentu untuk situasi aplikasi di lapangan seperti POCT, pemantauan lingkungan, dan pemeriksaan keamanan bandara. Teknologi ini menunjukkan keuntungan pembuatan yang mudah di bawah kondisi yang ringan, dapat diola untuk membentuk array pada permukaan luas, dan dapat diintegrasikan dengan mikrofluida untuk aplikasi optofluida throughput tinggi.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini disertakan dalam artikel ini.
