1 Departamentul de Științe ale Vieții, Universitatea Toyo, 1-1-1 Izumino, Itakura, Gunma 374-0193, Japonia

plăci

2 Centrul de Cercetare Electronică Bio-Nano, Universitatea Toyo, 2100 Kujirai, Kawagoe, Saitama 350-8585, Japonia

3 Fizica sistemelor și suprafețelor supramoleculare, Universitatea Bielefeld, 33615 Bielefeld, Germania

4 CNM Technologies GmbH, 33609 Bielefeld, Germania

Abstract

Raportăm pe un cromatograf în strat subțire (TLC) cu un strat de suprafață încorporat împrăștiat Raman (SERS) pentru identificarea in situ a speciilor chimice separate prin TLC. Scopul nostru este de a monitoriza probele de amestec sau moleculele țintă diluate suspendate într-un material gazdă, așa cum se întâmplă adesea în monitorizarea mediului sau detectarea aditivilor alimentari. Demonstrăm că TLC-SERS poate separa probele de amestec și poate oferi spectre SERS in-situ. O probă investigată a fost un amestec format din porțiuni egale de specii chimice active Raman, rodamină 6 G (R6G), cristal violet (CV) și 1,2-di (4-piridil) etilenă (BPE). Cele trei componente ar putea fi separate și spectrele lor SERS au fost obținute din locații diferite. O altă probă a fost laptele degresat cu o cantitate mică de melamină. Fără dezvoltare, nu s-au observat vârfuri caracteristice, dar după dezvoltare, s-a observat un vârf la 694 cm -1. Spre deosebire de TLC-SERS anterioare, prin care se adaugă nanoparticule de metal nobil după dezvoltarea unei probe, având un strat SERS încorporat facilitează foarte mult analiza, precum și menținerea unei uniformități ridicate a nanoparticulelor de metal nobil.

1. Introducere

Aici raportăm o metodă simplă pentru realizarea unei structuri constând dintr-un strat de gel de separare și un strat SERS ca structură integrată. Un strat SERS subțire, dar dens, se formează pe un substrat de sticlă, acoperit de un strat de gel de separare. Având stratul SERS pe substratul de sticlă ne permite să detectăm semnalele SERS prin iradierea de jos, evitând astfel interferențele din stratul de gel. Stratul SERS are o grosime mai mică de 150 nm, astfel încât întregul strat poate fi utilizat în mod eficient la iradiere.

În timp ce stratul de gel de separare constă dintr-un gel disponibil comercial subțire, stratul SERS constă dintr-un film metalic modificat pe structura nanosferei (MFON). Structura tradițională MFON este pregătită prin formarea unui set regulat de nanosfere foarte monodisperse, urmată de depunerea unui strat metalic. S-a dovedit că acest lucru servește ca un substrat SERS eficient [35-37]. În schimb, metoda noastră, MFON aleatoriu, folosește un strat adsorbit aleatoriu de nanosfere cvasi-monodisperse [38]. Astfel de structuri au fost folosite cu succes pentru detectarea localizată a rezonanței plasmonice de suprafață (LSPR) și măsurarea fluorescenței cu suprafață îmbunătățită [39-41]. Arătăm că MFON aleatoriu este o structură ideală pentru integrarea într-un TLC-SERS, datorită simplității pregătirii și efectului SERS semnificativ.

Mai întâi arătăm că stratul SERS dintr-un TLC-SERS poate îmbunătăți eficient semnalele Raman. Acest lucru se face prin scufundarea unei plăci TLC-SERS și a unei structuri TLC fără strat SERS într-o soluție de BPE și luarea spectrelor Raman de la acestea. Apoi, demonstrăm că TLC-SERS poate separa de fapt probele de amestec și poate oferi spectre SERS in situ. Pentru demonstrație, am pregătit două tipuri de probe. Unul este un amestec de porțiuni egale de specii chimice active Raman. Arătăm că amestecul cu trei componente constând din R6G, CV și BPE ar putea fi separat și spectrele SERS ale tuturor celor trei componente ar putea fi obținute individual. O serie de spectre de-a lungul direcției de dezvoltare au fost obținute cu un interval de 2 mm în intervalul de la 2 mm la 28 mm de la origine; a fost efectuată o investigație mai detaliată în intervalul de la 15,5 mm la 20,5 mm cu un interval de 0,5 mm. A dezvăluit spectre SERS distincte din diferite locații de la origine. Cu lapte degresat dopat cu o cantitate mică de melamină, prezența a 10 mg de melamină adăugată la 1 g de lapte degresat a putut fi detectată numai după separarea cu TLC-SERS, în timp ce înainte de separare, laptele degresat a împiedicat detectarea melaminei.

De asemenea, vom arăta că pot fi folosite atât nanoparticule de aur, cât și de argint. Nanoparticulele de argint au avantajul de a fi aplicabile unei varietăți mai mari de lasere de excitație care acoperă întregul spectru vizibil, în timp ce dezavantajul lor constă în instabilitatea lor chimică. În trecut, PVP a fost raportat eficient pentru stabilizarea nanocolloizilor de argint [42, 43]. Vom arăta că PVP poate îmbunătăți într-adevăr stabilitatea fără reducerea înălțimii de vârf SERS.

2. Experimental

2.1. Pregătirea TLC-SERS

Stratul SERS a fost apoi acoperit de un strat de gel de separare. Silica gel (GF60254, Merck Inc.) a fost suspendat în apă deionizată la o concentrație de 0,1 g/ml. 200 μL din amestec s-a adăugat la lamela de sticlă și s-a întins peste stratul SERS. A fost apoi uscat la 60 de grade Celsius.

2.2. Măsurarea spectrelor SERS

Performanța fundamentală a TLC-SERS ca substrat SERS a fost evaluată folosind Nicolet Almega XR (Thermo Fisher Scientific Inc.) cu lungimea de undă de excitație de 633 nm.

2.3. Pregătirea moleculelor țintă de detectare

BPE și R6G au fost achiziționate de la Sigma-Aldrich Inc. (Nr. Cat. B52808-5G și R4127-5G St. Louis, MO). CV-ul a fost achiziționat de la Wako (nr. Cod 038-04862). R6G, CV și BPE au fost preparate ca soluții de 1 mM; R6G și CV s-au dizolvat direct în apă, în timp ce BPE s-a dizolvat mai întâi în metanol la concentrația de 10 mM, urmată de o diluare de zece ori cu apă pentru concentrația finală de 1 mM.

Melamina a fost achiziționată de la Kanto Chemical Co., Inc. (Nr. Cat. 25093-02 Tokyo, Japonia) și utilizat așa cum a fost primit. 10 mg de melamină s-au amestecat bine cu 10 g de lapte degresat prin agitare timp de câteva minute (Morinaga Skim Milk; http://www.morinagamilk.co.jp/skim). Un gram de amestec de pulbere a fost dizolvat în 10 ml de apă deionizată.

Verde de malachit utilizat pentru evaluarea acoperirii PVP a fost obținut de la Waldeck GmbH & Co. KG. (Cod nr. 1B-249 Münster, Germania)

2.4. Protecție prin polivinilpirolidonă

PVP a fost cumpărat de la Wako (PVP K30 Nr. Cat. 165-17035), cu greutatea moleculară de 30.000. Un gram de pulbere PVP a fost dizolvat în 99 ml de apă deionizată. O placă cu nanoparticule de Ag a fost scufundată în soluția de PVP timp de 30 de minute și apoi uscată la 60 de grade Celsius. Am ales o soluție de 30.000 PVP cu 1% în greutate, dar s-a constatat că PVP cu alte greutăți moleculare, cum ar fi 15.000 și 90.000.

2.5. Cromatografie

Pentru faza mobilă, am folosit un amestec metanol: apă (80: 20) pentru experimentul cu trei componente și 100% metanol pentru experimentul cu lapte degresat. 0,2 μL din soluția de moleculă țintă a fost adăugată pe placă, la un punct la 1 cm distanță de margine, cu patru runde de aplicare separate, cu un interval de câteva minute pentru uscare. Placa a fost plasată într-o sticlă de 50 ml umplută cu 2 ml de fază mobilă. Pentru a sigila sticla s-a folosit un top cu înșurubare. Dezvoltarea a fost lăsată să ruleze până când componentele au fost vizibil separate unele de altele.

2.6. Observarea morfologiei

Pentru caracterizarea morfologiei, am folosit mai degrabă un microscop cu heliu ion, HIM, decât un microscop electronic cu scanare, SEM. Cu stratul de gel de pe TLC-SERS, a fost extrem de dificil să se prevină încărcarea electrică sub observația SEM chiar și atunci când structura a fost acoperită cu Pt. Imaginile HIM obținute cu un Carl Zeiss Orion Plus erau clare. Fasciculul de ioni de heliu a fost operat la o tensiune de accelerare de 35 kV la un curent de 0,5 pA și scanat peste eșantion cu un timp de staționare de 0,5 μs la 32 de linii în medie. Am folosit pistolul de inundație încorporat de electroni la aproximativ 680 eV în modul linie pentru a compensa încărcarea. Proba a fost sub un unghi de înclinare de 43 °. Luminozitatea și contrastul tuturor imaginilor au fost optimizate pentru o vizibilitate optimă. Pentru structuri fără stratul TLC, imaginile au fost obținute cu un SEM, Hitachi SU8000 la o tensiune de accelerație de 5,0 kV.

3. Rezultate si discutii

Figura 1 arată placa noastră TLC-SERS, (a) o diagramă schematică a secțiunii transversale și a fotografiilor sale în timpul pregătirii, după formarea unui strat SERS (b) și a unui strat de gel de separare (c). Stratul SERS are o lățime de 5 mm și o lungime de 60 mm, iar stratul de gel de separare, de aspect alb, are aceeași lățime. Lățimea de 5 mm a fost aleasă din observația noastră că proba a avut tendința de a se îndrepta spre o margine în timpul dezvoltării atunci când au fost folosite benzi mai înguste. Figura 2 prezintă imaginile HIM ale plăcii TLC-SERS. Stratul de gel de separare a fost îndepărtat local pentru a dezvălui stratul SERS subiacent. Imaginile (a) și (b) dezvăluie secțiunea transversală a stratului de gel de separare prin care jumătatea inferioară este stratul SERS. În imaginea (c) sunt prezentate detaliile stratului SERS. Structurile de aproximativ 100 nm sunt responsabile pentru SERS și resturi mai mari de 1 μm este fragmente din stratul de gel de separare. Bara de scară corespunde 200, 20 și 2 μm în (a), (b) și, respectiv, (c). Stratul de gel de separare este de aproximativ 100 μm grosime. Nanoparticulele din stratul SERS au rămas adsorbite pe suprafața sticlei și nu au suferit modificări morfologice vizibile în procesul de formare a stratului de gel de separare deasupra.