Nouveau capteur de diffusion Raman amélioré par surface intelligente basé sur des nanoparticules d'Ag coiffées de polyacryloylhydrazine et sensibles au pH

Contexte

La diffusion Raman améliorée en surface (SERS) est un outil spectroscopique puissant pour identifier la structure des molécules par les informations vibrationnelles des molécules cibles [1]. En raison de sa commodité et de son analyse ultra-sensible, le SERS a été reconnu comme une approche idéale pour détecter des molécules biologiques, notamment l'ADN, l'ARN et les cellules cancéreuses [2]. Il est généralement admis que la technique SERS peut être illustrée avec l'électromagnétisme amélioré (EM) [3]. Parmi les influences de l'EM, la résonance plasmonique de surface localisée (LSPR) joue un rôle clé et dominant [4]. Lorsque les molécules cibles résident dans les espaces entre les nanoparticules métalliques voisines (appelées « points chauds »), sous l'irradiation de la lumière incidente, la nanoparticule métallique génère LSPR et son champ électromagnétique de surface est augmenté, ce qui entraîne le signal amélioré de SERS [5 ,6,7]. L'énorme amélioration garantit la haute sensibilité du SERS, ce qui signifie que l'empreinte caractéristique des molécules cibles peut être acquise même à de faibles concentrations [8,9,10].

A ce jour, des efforts considérables ont été consacrés à l'amélioration de la sensibilité du SERS pour développer la technique d'analyse SERS. Les stratégies réussies pour les SERS ultra-sensibles ont été réalisées par des substrats de nanoparticules métalliques de différentes formes et dimensions [11]. Cependant, à notre connaissance, il n'y a pas de rapports correspondants sur la détection SERS contrôlable [12,13,14,15]. Par conséquent, le développement de SERS accordables deviendra l'un des plus grands défis associés aux SERS et aux biocapteurs à haute sensibilité. Le polyacryloyl hydrazide (PAH) est un polymère sensible au pH, qui a été appliqué à divers domaines biomédicaux [16]. En raison des groupes fonctionnels hydrazides abondants sur les PAH, les PAH peuvent servir non seulement de réactif de coiffage, mais également d'agent réducteur des précurseurs d'ions métalliques pour préparer facilement des nanoparticules d'Ag (NP) [17]. Le comportement de gonflement-rétrécissement des HAP réactifs peut contrôler la distance entre les Ag NPs et les molécules cibles sous des stimuli externes de pH, ce qui entraîne un LSPR ajustable et un SERS davantage contrôlé.

Dans ce travail, en combinant un polymère de PAH sensible au pH et des Ag NPs, nous avons préparé avec succès des Ag@PAH NPs sans autres réactifs. Rhodamine 6G (R6G) en tant que molécule cible, les NP Ag@PAH ont été utilisées pour la première fois pour la détection du SERS. En raison de la sensibilité du polymère PAH à la surface des Ag NPs, un effet SERS contrôlable des R6G/Ag@PAH NPs peut être obtenu en ajustant la valeur du pH. De plus, les NP Ag@PAH présentent une sensibilité et une reproductibilité élevées, ce qui leur permet d'être explorées pour les risques biologiques ou l'analyse de réactifs chimiques dans des applications sur le terrain.

Méthodes

L'illustration du processus préparé des NP Ag@PAH a été montrée à la Fig. 1. En bref, 250 μL d'AgNO₃ solution aqueuse (0,2 mol/L) a été ajoutée à 25 mL de HAP (ESI† pour plus de détails) solution aqueuse (2% w /v ). Le mélange a été agité dans des conditions douces pendant 30 minutes à 30°C. La solution brun rougeâtre résultante a été purifiée par dialyse contre de l'eau désionisée pendant 24 h et recueillie par centrifugation et dispersée dans de l'eau désionisée. Ensuite, les différentes valeurs de pH des solutions Ag@PAH NP ont été ajustées par 0,1 mol/L de solution de HCl ou 0,1 mol/L de solution de NaOH.

Illustration schématique du processus préparé des NP Ag@PAH

Résultats et discussion

Le polymère PAH possédait des groupes hydrazide dans chaque unité répétitive, qui servaient d'agent réducteur efficace pour la préparation de NP métalliques [18]. Ag ⁺ substitution électrophile, l'azote à l'extrémité des groupes hydrazide, formé -CO-NH-NH- et Ag NPs, dans le processus de préparation des Ag@PAH NPs. Par microscopie électronique à transmission à haute résolution, nous avons constaté que les Ag NPs étaient entièrement encapsulées par le polymère PAH avec la structure core-shell complète. Nous avons en outre estimé que la taille moyenne des Ag NPs était d'environ 90 nm sur la figure 2a. Le diamètre hydrodynamique des NP Ag@PAH était de 192,6 nm à pH = 9 et a diminué à 103,3 nm lorsque la valeur du pH était de 4 sur la figure 2b. De plus, nous avons également calculé l'épaisseur de la coquille de PAH en soustrayant le diamètre Ag NP du total des Ag @ PAH NP qui était de 102,6 nm à pH = 9 et de 13,3 nm à pH = 4. La raison devrait être attribuée à la houle et rétrécissement des HAP. Le gonflement et le rétrécissement du PAH sont attribués à un effet synergique des facteurs suivants, le changement de protonation-déprotonation, la répulsion de charge et la capacité de formation de liaison hydrogène du polymère PAH. De plus, les NP Ag@PAH ont montré un pic d'absorption similaire (à environ 423 nm) dans les spectres UV-vis et seule l'intensité d'absorption a diminué dans la plage de pH de 4 à 9 sur la figure 2c. Cela indiquait que l'épaisseur croissante de la couche de coque polymère entraverait la propagation de la résonance plasmonique de surface localisée sans modifier la propriété optique des Ag NPs.

un Images HRTEM et distribution granulométrique des NPs Ag@PAH. b Dépendance du pH du diamètre hydrodynamique des NPs Ag@PAH. c Dépendance au pH des spectres d'absorption UV-vis des NPs Ag@PAH

La performance SERS des NP Ag@PAH a été évaluée avec R6G comme analyte cible modèle. Afin de comprendre l'origine des Ag@PAH NPs améliorant les signaux R6G Raman, des expériences comparées ont été réalisées pour distinguer l'influence de la couche de polymère PAH. Nous avons comparé les signaux Raman de la solution pure de R6G, de la solution pure de PAH, des Ag NPs individuels et des Ag@PAH NPs, qui avaient tous la même concentration sur la figure 3a. Il est bien connu que le signal de la solution R6G pure (10 ⁻⁶ M) est assez faible. Après avoir ajouté des Ag NPs ou Ag@PAH NPs comme substrats, les principales caractéristiques culminent à 1311, 1363, 1509 et 1651 cm ⁻¹ , qui correspondaient parfaitement aux spectres Ramam de R6G ont été évidemment améliorés. Cela démontre qu'un remarquable SERS signale des molécules R6G présentes à la surface des Ag NPs et Ag@PAH NPs. En revanche, en l'absence de Ag NPs, des signaux SERS négligeables ont été observés à partir du polymère PAH individuel, suggérant que la présence de polymère PAH n'avait aucun effet sur l'effet SERS pour les molécules R6G.

un Illustration schématique du procédé de fabrication SERS de R6G sur substrats Ag@PAH NPs. b Illustration schématique du mécanisme SERS accordable de R6G avec Ag@PAH NPs à différentes valeurs de pH

L'amélioration SERS de la cellule métallique/coque polymère était très sensible à l'épaisseur de la coque polymère, ce qui a été prouvé par des études théoriques et expérimentales. Nous avons étudié l'effet entre différentes valeurs de pH et les signaux améliorés par SERS, comme indiqué sur la figure 4a. Par rapport au signal original de R6G, les signaux SERS ont été amplifiés en présence de Ag@PAH NPs à différentes conditions de pH. De plus, l'intensité relative SERS des spectres diminue à mesure que la valeur du pH augmente. Ceci est expliqué que l'effet SERS des NP Ag@PAH était sensible à l'épaisseur de la coque des PAH. La couche de coquille de PAH s'est rétrécie à une faible valeur de pH, ce qui a entraîné une plus grande intensité de champ électromagnétique qu'à une valeur de pH élevée dans la même concentration de NP Ag@PAH, comme le montre la figure 3b. Par conséquent, les NP Ag@PAH à faible pH induisaient des signaux Raman extrêmement améliorés, ce qui garantissait l'accord des NP Ag@PAH en tant que substrats SERS. Ce phénomène a été quantifié en calculant les facteurs d'amélioration Raman (FE) des 1509 cm ⁻¹ pic pour les NP Ag@PAH (Eq. S1, ESI†). Les FE des NP Ag@PAH à différentes valeurs de pH ont été estimés à 0,8 × 10 ⁶ , 1,1 × 10 ⁶ , 1,5 × 10 ⁶ , 2,2 × 10 ⁶ , 3,3 × 10 ⁶ et 4,3 × 10 ⁶ , respectivement, sur la figure 4b (ESI† pour plus de détails). Les FE des NP Ag@PAH à différentes valeurs de pH étaient tous élevés, jusqu'à 10 ⁶ qui a révélé que l'Ag@PAH NP pourrait être utilisé comme substrat SERS efficace et intelligent dans la détection de traces.

un Spectres SERS de R6G adsorbé avec différentes valeurs de pH. b FE de R6G sur les NP Ag@PAH en fonction des valeurs de pH à 1509 cm ⁻¹ . c Spectres SERS de R6G avec différentes concentrations adsorbées sur Ag@PAH NPs. d Relation des intensités de pic à 1509 cm ⁻¹ et les concentrations de R6G (L'encart est la relation linéaire entre les intensités logarithmiques et les concentrations de R6G.)

De plus, les NP Ag@PAH à faible pH induisaient des signaux Raman extrêmement améliorés, ce qui garantissait une ultra-sensibilité des NP Ag@PAH en tant que substrats SERS. Par conséquent, une série de spectres SERS de R6G à différentes concentrations (10 ⁻⁷ –10 ⁻¹² M) ont en outre été mesurés à pH = 4 en ajoutant des NPs Ag@PAH à la même concentration. En comparant les signaux de ces courbes, les intensités SERS ont été diminuées en diluant les concentrations de la molécule cible sur la figure 4c. Les bandes caractéristiques de R6G sont clairement identifiées même à une concentration aussi faible que 10 ⁻¹² M, démontrant que les NP Ag@PAH possèdent une sensibilité détectée élevée pour R6G. De plus, une dépendance linéaire est trouvée entre les concentrations logarithmiques de R6G et les intensités du pic de l'empreinte (1509 cm ⁻¹ ) sur la figure 4d. Dans la plage de concentration de R6G allant de 10 ^-7 à 10 ⁻¹² M, l'équation de régression linéaire était y = 5,9838 + 0,3228 log(x), et le coefficient de corrélation était de 0,9971 (n = 6). De toute évidence, dans la région de faible concentration, l'intensité du SERS diminue avec la diminution de la concentration d'essai. Ces résultats ont confirmé que les NP Ag@PAH deviendront un candidat prometteur dans une détection intelligente d'ultra-traces de dangers biologiques ou de réactifs chimiques.

Conclusions

En résumé, nous avons utilisé pour la première fois des NP Ag@PAH sensibles au pH comme substrats souhaités pour les applications SERS. L'introduction d'un polymère PAH sensible au pH en tant que couche de coque peut conférer aux Ag NPs une résonance plasmonique de surface localisée contrôlable en ajustant l'épaisseur de la coque sous des stimuli de pH, ce qui entraîne des effets SERS réglables. Les résultats ont démontré que les NP Ag@PAH possédaient d'excellentes performances SERS contrôlables et ultrasensibles au pH, que la limite de détection de R6G a été réduite à 10 ⁻¹² Les NP de M. Ag@PAH sont prometteuses pour l'application SERS intelligente dans la détection ultra-trace de dangers biologiques ou de réactifs chimiques.

Contenu associé

Renseignements à l'appui. Matériels, instrumentation, préparation des HAP et méthode de calcul des EF. Graphique S1. ¹ Spectre RMN H du PMA dans CDCl₃ et HAP en D₂ O (Fichier supplémentaire 1).

Abréviations

EF :

Facteurs d'amélioration

EM :

Électromagnétique amélioré

LSPR :

Résonance plasmonique de surface localisée

NP :

Nanoparticules

HAP :

Polyacryloyl hydrazide

SERS :

Diffusion Raman améliorée en surface