SERS vonalkód-könyvtárak: mikrofluidikus megközelítés

Kémiai és Biomérnöki Intézet, ETH Zürich, Vladimir Prelog Weg 1, Zürich, 8093 Svájc

Multi-Scale Robotics Lab (MSRL) Robotikai és Intelligens Rendszerek Intézet, ETH Zürich, Tannenstrasse 3, Zürich, 8092 Svájc

Kémiai és Biomérnöki Intézet, ETH Zürich, Vladimir Prelog Weg 1, Zürich, 8093 Svájc

Multi-Scale Robotics Lab (MSRL) Robotikai és Intelligens Rendszerek Intézet, ETH Zürich, Tannenstrasse 3, Zürich, 8092 Svájc

Kémiai és Biomérnöki Intézet, ETH Zürich, Vladimir Prelog Weg 1, Zürich, 8093 Svájc

Multi-Scale Robotics Lab (MSRL) Robotikai és Intelligens Rendszerek Intézet, ETH Zürich, Tannenstrasse 3, Zürich, 8092 Svájc

Kémiai és Biomérnöki Intézet, ETH Zürich, Vladimir Prelog Weg 1, Zürich, 8093 Svájc

Multi-Scale Robotics Lab (MSRL) Robotikai és Intelligens Rendszerek Intézet, ETH Zürich, Tannenstrasse 3, Zürich, 8092 Svájc

Kémiai és Biomérnöki Intézet, ETH Zürich, Vladimir Prelog Weg 1, Zürich, 8093 Svájc

Absztrakt

A mikroszálas technológiák fejlett eszközként jelentek meg a felületi Raman spektroszkópia (SERS) számára. Különösen vonzónak bizonyultak az analitok in situ és valós idejű kimutatására rendkívül alacsony koncentrációban és 10 × 10–15 m szintig. Megoldhatatlan kihívás azonban az újrakonfigurálható és újrafelhasználható eszközök előkészítése, amelyek több észlelési képességgel rendelkeznek. Bemutatunk egy mikrofluidikus alapú módszert, amely rendkívüli térbeli szabályozást tesz lehetővé több aktív SERS szubsztrátum egyetlen mikrofluidikus csatornában történő lokalizációja felett. Bebizonyosodott, hogy ez a technológia biztosítja az analit meghatározott detekciós pontokba történő transzportjának tökéletes ellenőrzését, elkerülve a keresztszennyeződést; egy olyan funkció, amely lehetővé teszi több analit egyidejű detektálását ugyanazon mikrofluid csatornán belül. Ezenkívül bebizonyosodott, hogy a SERS szubsztrátokat racionálisan, egyértelmûen lehet megtervezni, és hogy lehetõvé teszik egyes molekulák kimutatását (olyan alacsony koncentrációkban, mint 10-14 m). Végül bebizonyosodott, hogy a SERS szubsztrátok gyors maratása és rekonstrukciója lehetővé teszi az újrakonfigurálható és újrafelhasználható működést.

A felületi Raman-szórás (SERS) felfedezése óta [1] nagy figyelmet fordítottak a fémalapú nanoszerkezetek könnyed, robusztus és gyors előkészítésére. [2, 3] Ebben a tekintetben a nemesfémek ellenőrzött kémiai redukcióját arany-standard megközelítésnek tekintik a SERS szubsztrátok előállításában, amely lehetővé teszi az analit detektálását 10-13 m-es koncentrációig. [4, 5] A közelmúltban az ilyen szintetikus megközelítések és a megfelelő támasztó rétegek kombinációját alkalmazták átlátszó, rugalmas és rendkívül aktív SERS szubsztrátok előállításához. [6-8] Az ezen a területen elért új fejlemények azonban a SERS szubsztrátok kontrollált pozícionálására támaszkodnak a hordozó rétegre, valamint a próbamolekulák (analitok) szabályozott diffúziójára a SERS aktív helyeire in situ és valós idejű detektálásukhoz. [9]

Ennek megfelelően a mikrofluidikus elveken alapuló, felülről lefelé irányuló technológiák fejlett eszközként jelentek meg számos SERS-tanulmányban és alkalmazásban. [10] A mikrofluidikus eszközök megfelelő környezetet biztosítanak a SERS tömbök előállításához egy előre meghatározott helyeken egy mikrofluidikus csatorna belsejében, például lézer által indukált fotoredukcióval. [4, 11-13] Ezenkívül a mikrofluidikus módszerek lehetővé teszik az analitok meghatározott detektálási pontokba történő diffúziójának tökéletes ellenőrzését. [14] Mindazonáltal vegye figyelembe, hogy a mikrofluidikus alapú SERS megközelítések még mindig gyerekcipőben járnak, és sok kihívással még nem foglalkoztak. [9] Ilyen kihívások közé tartozik a SERS szubsztrátumok egyszerű előkészítése újrakonfigurálható és újrafelhasználható eszközökként, a próbamolekulák szabályozható csapdázása és felszabadulása keresztszennyeződés nélkül, valamint több faj detektálásának képessége egyetlen mikrofluidikus csatornán belül.

Bemutatunk egy új, mikrofluidikus alapú módszert, amely ezeket a problémákat megoldja, lehetővé téve több SERS szubsztrátum egyetlen lépésben történő előállítását egyetlen mikrofluidikus csatornán belül. A módszer költséghatékony, reprodukálható, rendkívül érzékeny, és 10–14 m-es koncentrációknál is lehetővé teszi a detektálást. Ezenkívül a SERS szubsztrátok testreszabott képarányokkal szintetizálhatók, kombinálva a reagensekkel megterhelt áramlások szabályozott diffúzióját és a pneumatikus bilincs működtetését (vide infra). Pontosabban azt mutatjuk be, hogy ez a két mikrofluidikus tulajdonság lehetővé teszi: i) a SERS szubsztrátok, valamint az analitok térbeli lokalizációjának ellenőrzését egyetlen mikrofluidikus csatorna mentén meghatározott helyeken, ii) a keresztszennyeződés megakadályozását, és iii) több detektálási képesség elérését, így SERS vonalkódokat kapunk. Ezenkívül megközelítésünk lehetővé teszi a SERS szubsztrátok gyors és folyamatos maratását és rekonstrukcióját, megkönnyítve ezzel az újrakonfigurálható és újrafelhasználható SERS platformok gyártását. Meg kell jegyezni, hogy még akkor is, ha módszertanunkban rejlő lehetőségeket példázzuk a SERS vonalkódok kialakításával, ez egy általános eljárás, amely kiterjeszthető más funkcionális anyagok és/vagy molekulák pontos lokalizációjának elérésére.

Az elektrolitikus lerakódással előállított mikrogépelésű Ag-szerkezetek számának növelése érdekében úgy döntöttünk, hogy egy második bemenetet adunk kétrétegű mikrofolyadék-eszközünkhöz (2. bemenet az 1a. Ábrán), és folyamatos áramlás alatt tanulmányozzuk az Ag-szerkezetek kialakulását. Ebben az esetben AgX és Red oldatokat injektáltunk a fluid rétegbe az 1. és a 2. bemenetből (az 1a. Ábra és a kiegészítő információk a további részletekért). Megfigyeltük, hogy ha egyenlő áramlási sebességeket alkalmazunk, az üvegszubsztrátumon a fő mikrofluidikus csatorna közepén Ag vonalat rajzolunk. Erre a folyamatra az in-flow Ag mintázás vonatkozik. [17] Ezenkívül kimutattuk, hogy a 100 µL min-1 teljes áramlási sebesség (TFR) ~ 10 µm széles Ag-vonalakat generál, míg a 20 µL/min -1 TFR 40 µm széles vonalakhoz vezet (S3b ábra, c, kiegészítő információk). Ezek az eredmények egyértelműen bizonyítják, hogy a különböző képarányú Ag vonalak egyenesen elhelyezhetők Y alakú fluidikus réteg alkalmazásával.

Ezt követően felmértük a szegmentált Ag vonalak SERS aktív szubsztrátként való teljesítményét, kristály ibolya (CV) felhasználásával mint modell Raman szonda molekula. A CV-t azért választottuk, mert ennek a molekulának a Raman-ujjlenyomatát alaposan tanulmányozzák a SERS spektroszkópiában. [13, 22, 23] Egy tipikus kísérletben a CV vizes oldatát (10–6 m magasságban) injektáltuk 4 perc alatt, állandó TFR-értéken, 50 µL/perc. Ezután az áramlást leállítottuk, és a Raman-spektrum csak utána nyert. Amint a 2f. Ábra mutatja, míg a szegmentált Ag vonalakon kívül nem észleltek Raman jeleket (pl. A 2f. Ábra 2. pontja), a szegmentált Ag vonalak tetején végzett mérések intenzív Raman spektrumokat eredményeztek (pl. A 2f. Ábra 1. pontja) . A Raman-spektrumok a CV-re jellemző 724, 800, 914, 1173, 1295, 1369, 1440, 1531, 1582 és 1614 cm-1 pontokon helyezkednek el. [13, 22, 23] Megközelítésünk általánosságát egy másik Raman-szondával, nevezetesen a 4-amino-tiofenollal (4-ATP) és egy fehérjével, nevezetesen a szarvasmarha-szérum albuminnal is teszteltük, lásd az S6, illetve az S7 ábrát (Támogató információk) . Következésképpen ezek az adatok azt mutatják, hogy a mikrotechnikailag beépített Ag szubsztrátok hatékony „forró pontokként” működnek, lehetővé téve az oldatban lévő különböző analitok kimutatását. [24]

Az Ag struktúráink SERS teljesítményének értékeléséhez különböző koncentrációkban injektáltunk CV oldatokat 10-14 m és 10-6 m között. [4, 13, 25, 26] Mindegyik oldatot a fent leírt eljárás szerint injektáltuk (TFR 50 µL min-1 4 percig). A SERS méréseket 31 kiválasztott detektálási ponton végeztük egy előre szintetizált és kimosott Ag vonal mentén, minden kísérletet háromszor megismételtünk minden CV koncentrációnál a statisztikai elemzés elvégzéséhez. A 2g ábra azt mutatja, hogy CV-koncentrációnál 10-13 m-nél a mérések 50% -ában sikeres analitészlelést észleltünk (lásd a kísérleti részleteket az alátámasztó információkban), míg a CV még mindig 10-14 m-nél volt kimutatható 20-ban. A mérések% -a (S8. ábra, Támogató információk). Más szavakkal, −13 m koncentrációnál sztochasztikus detektálási módban vagyunk, elfogadható valószínűséggel a CV kimutatására olyan alacsony koncentrációkban, mint 10 −14 m. Megjegyezzük, hogy egy alacsony koncentrációban megfigyelt sztochasztikus SERS detektálást számos szerző egyetlen/néhány molekula detektálási eseménynek tulajdonít. [13, 26, 27]

Megjegyezzük, hogy míg a CV-t 10–14 m-nél alacsonyabb koncentrációkban lehetett kimutatni a fent leírt körülmények között (leállított áramlás), a CV Raman-jelek valós idejű monitorozása az analit folyamatos áramlása alatt magasabb koncentrációknál elérte a sztochasztikus detektálási rendszert . Konkrétan, amikor CV oldatot áramoltattunk 50 µL min-1 sebességgel, a CV Raman jelek detektálását már 10 −9 m koncentrációban nagyon sztochasztikusnak találták (S9. És S10. Ábra, Támogató információk).

Egy lépéssel tovább, megvizsgáltuk módszertanunk lehetőségét arra, hogy egyetlen Ag szubsztrátot két, különböző pozíciókban szállított analitussal jelöljünk. A 4a. Ábra a CV jellegzetes Raman-csúcsának intenzitásának alakulását mutatja 914 cm-1-nél az idő függvényében a címkézési/mosási lépések során. Az adatpontokat egyetlen helyzetben mértük egy szegmentált Ag vonalon, egy nem működtetett pneumatikus bilincs alatt. Kezdetben CV-oldatot (10-6 m) injektáltunk TFR-re 50 µL min-1-re a csatornában, ami rövid normalizálódási fázis után a normalizált Raman-intenzitás gyors növekedését eredményezte, és 200 mp körüli platót ért el ( 4. ábra (i) lépés). Ezután a DI víz injektálása (TFR 100 µL min-1 mellett) a Raman-jel csökkenését eredményezte a kezdeti szintre (4. ábra, (ii) lépés), ezáltal megerősítve, hogy a SERS szubsztrátok könnyen helyreállíthatók egy egyszerű mosási lépés, időigényes és munkaigényes eljárások nélkül. Ne feledje, hogy a pneumatikus bilincs működtetése kulcsfontosságú a fizikailag felszívódó analitok, például a CV helyén tartásához a mosási lépés során.

Egyetlen Ag szubsztrátum két különböző analitissal történő címkézésére a pneumatikus bilincsek részleges működését használtuk ki. Kezdetben CV-vel címkézett Ag szegmentált vonalat vettünk figyelembe, amint azt a fentiekben bemutattuk (3a. A DI-víz 15 percig történő injektálása (100 µL min-1 TFR mellett), míg a pneumatikus bilincs részleges működtetése (4b. Ábra) lehetővé tette számunkra, hogy szelektíven mossuk le az analitot csak a szegmens széleiről. Ez a CV lokalizált detektálását eredményezte csak az Ag vonal közepén (4c. Ábra). A 4-ATP (10-6 m) utólagos injektálása a folyadékrétegbe (TFR 50 µL min-1 10 percig), miközben a pneumatikus bilincs részleges működtetése megmaradt, az Ag vonal egymást követő jelöléséhez vezetett. az analitok. Például a 4d. Ábrán bemutatjuk, hogy ezzel a megközelítéssel egyetlen szegmentált Ag vonal vonalkódolható 4-ATP/CV/4-ATP szekvenciával.

Figyelemre méltó módon ezt a módszertant ki lehet terjeszteni más mikrotechnikai Ag szubsztrátokra, például egy Ag filmre (4e. Ábra; és S12 ábra, támogató információk), hogy 2D SERS vonalkódokat alkossanak (4f. Ábra), vagy egy hosszú Ag sorra, hogy hosszabb 1D-t hozzanak létre. vonalkód (4g (ii) ábra). Megfigyeltük, hogy a pneumatikus bilincsekre gyakorolt nyomás 0,5 és 3 bar közötti változtatásával modulálhatjuk az analittal jelölt régió hosszát, ezáltal növelve a SERS vonalkódolási lehetőségeket. Például a 4g (ii) ábra egy CV-vel és 4-ATP-vel egymás után vonalkódolt Ag-vonal Raman-térképét mutatja be (további részletekért lásd az alátámasztó információkat), ahol a két elem közötti távolságot a pneumatikus működési nyomásnak megfelelően módosították. bilincsek (3 bar = P1> 1 bar> P2> P3, 4g. ábra (i, ii); és S13. ábra: Támogató információk). Ez a megközelítés kiterjeszthető Ag filmekre is (S14. Ábra, Támogató információk). Ezek az eredmények világosan mutatják, hogy a vezérelt pneumatikus bilincs működtetése döntő fontosságú a kívánt minta helyben tartása érdekében, és ezáltal fontos jellemzője annak, hogy ugyanazon Ag szubsztrátumon belül több SERS detektálást lehessen végrehajtani.

Végül kihasználtuk a mikrofluidikus eszközünkben meglévő lamináris áramlási körülményeket a folyadékrétegben együtt áramló két elem egyidejű és valós idejű detektálására (4h ábra). Ezekben a kísérletekben két szegmentált Ag vonalat helyeztek el, amelyek egy pneumatikus bilincs alatt helyezkedtek el, SERS aktív szubsztrátként (4h (i, ii) ábra). A 4h (iii) ábra mutatja a CV (10-6 m) és a 4-ATP (10-6 m) oldatok egyidejű detektálásának Raman-térképét, amelyet 50 µL min -1 TFR-re injektálunk. Az adatok egyértelműen igazolják azt a térbeli vezérlést, amelyet módszerünk garantál, és a különböző Raman-próbamolekulák meghatározott detektálási pontokba vezetik az egyidejű detektálást egyetlen mikrofluidikus csatornán.

Bemutatták több aktív SERS szubsztrátum előállítását egyetlen mikrofluidikus csatornán belül. Ez a módszer kiváló irányítást garantál mind a SERS szubsztrátok lokalizációja, mind azok oldalaránya felett. Ezenkívül bebizonyítjuk, hogy az így előállított SERS szubsztrátok 10–14 m-es koncentrációkban is elérhetik a detektálást, ahol a Raman-próbamolekulák diffúziója pontosan kihasználható specifikus detektálási pontokra, megakadályozva a keresztszennyeződést és felajánlva a többszörös detektálási képességeket . Ez a tulajdonság a SERS vonalkódok létrehozását eredményezi. Ezenkívül leírnak egy marási folyamatot a TCNQ-val, amely garantálja az újrakonfigurálható, újrafelhasználható és rendkívül rugalmas SERS platformok megjelenését. Végül úgy gondoljuk, hogy ez a technológia új utak megnyitására is használható más kutatási területeken, amelyek megkövetelik a kisméretű fém nanoszerkezetek regioszelektív funkcionalizálását, vagy amelyek megoldásokat keresnek a funkcionális anyag növekedésének kiaknázására a felületeken. Ne feledje, hogy a funkcionális anyagok ellenőrzött növekedése a felületeken elengedhetetlen ahhoz, hogy teljes mértékben kihasználhassák az új vonzó eszközök és a technológia szempontjából releváns rendszerek lehetőségeit.

Kísérleti szakasz

Anyagok

Az Ag só (AgX) és redukálószer (vörös) oldatokat (HE-300A ezüst oldat, HE-300B aktivátor oldat és HE300C reduktor oldat) a Peacock Laboratories (USA) cégtől vásároltuk. A TCNQ-t és az R6G-t Sigma-Aldrich-től (St. Louis, USA) szereztük be. A CV-hidrátot a TCI Deutschland GmbH-tól (Németország), a 4-ATP-t pedig a Fluorochem-től (Glossop, Egyesült Királyság) szereztük be. Nagy teljesítményű folyadékkromatográfiás minőségű acetonitrilt a VWR International-tól (Franciaország) vásároltunk. Minden kísérletben DI vizet használtunk.

Kétrétegű mikroszálas chip forgács

Mintás elektródák gyártása üveg borítószelvényen

Az interdigitált elektróda mintákat üveg fedőlemezeken állítottuk elő krómmaszk és lift-off technika alkalmazásával. [15] Az elektródák közötti távolság 5 µm volt. Centrifugálás után (4000 fordulat/perc sebességgel 30 másodpercig) egy AZ 5214 E fotoreziszt (Clariant, GmbH) és 100 ° C-on 1 percig lágy sütés után UV-fotolitográfiát végeztünk kemény érintkezési módban Karl Süss MA/BA6 maszk aligner (Süss MicroTec SE, Németország). UV-expozíció után egy fejlesztési lépést hajtottak végre, hogy lehetővé tegyék a strukturált üveg fedőlemezek króm és platina (10, illetve 100 nm vastagságú) fémezését. A metallizálást elektronnyaláb-párologtató rendszerrel (Plassys Bestek, Franciaország) hajtottuk végre, majd aceton-oldószerrel történő felvétel előtt.

Videók/optikai képek

A videofelvételek és a világos terepen készült képek egy Nikon Eclipse Ti mikroszkóppal (Hollandia) készültek, amely RETIGA R1 színes kamerával volt felszerelve (USA).

In Situ Raman mérések

Az összes Raman-mérést egy inverz Raman mikroszkóppal (XploRA INV, Horiba Europe GmbH, Belgium) végeztük, amely 532 és 785 nm-es lézerekkel volt felszerelve (az egyes kísérletek felvételi paramétereiről lásd az S1 táblázatot, kiegészítő információk).

A SEM képeket Zeiss Ultra 55 pásztázó elektronmikroszkóppal gyűjtöttük, 5,0 kV gyorsulási feszültség alkalmazásával. A mintákat a SEM képalkotás előtt 5 nm-rel (Pt/Pd) vontuk be Quorum Q150T-S porlasztó bevonattal.

XRD elemzés

A standard XRD mintákat egy Bruker-D8 Advance por-diffraktométerrel, Bragg-Brentano Geometry segítségével gyűjtöttük össze, MBraun PSD-50M helyzetérzékeny detektorral és ívelt Ge-monokromátorral (Cu Kα sugárzás; λ = 1,5418 Å). A mintákat sík üveg mintalapra helyeztük. Mintákat gyűjtöttünk 0,032 ° lépésmérettel és 1,4 s expozíciós idővel lépésenként.

EDX spektroszkópia

Az EDX spektroszkópiát és az elemi feltérképezést egy energia-diszperzív röntgenanalízis detektorral (EDAX Octane Super) felszerelt FEI Quanta 200 SEM-en végeztük.

Elektromos vezetőképesség mérések

Az in situ növesztett AgTCNQ huzalok elektromos jellemzését elektródákkal mintázott üveg fedőlap használatával és Karl Süss Prober PM8 (Süss MicroTec SE, Németország) felhasználásával végeztük. A méréseket lineáris feszültség alkalmazásával végeztük kétpontos szonda konfigurációban.

Köszönetnyilvánítás

Ezt a munkát részben támogatta az Európai Kutatási Tanács Starting Grant microCrysFact (ERC ‐ 2015 ‐ STG No. 677020), a Svájci Nemzeti Tudományos Alapítvány (Projekt: 200021_181988) és az ETH Zürich.

Összeférhetetlenség

A szerzők nem jelentenek összeférhetetlenséget.

Fájlnév Leírás

advs1730-sup-0001-SuppMat.pdf1,7 MB	segítő információ
advs1730-sup-0002-MovieS1.avi1,7 MB	1. kiegészítő film

Kérjük, vegye figyelembe: A kiadó nem felelős a szerzők által szolgáltatott bármilyen kiegészítő információ tartalmáért vagy működéséért. Bármilyen kérdést (a hiányzó tartalom kivételével) a cikk megfelelő szerzőjéhez kell irányítani.