Facile SERS substrates from Ag nanostructures chemically synthesized on glass surfaces

Н.В. Мазур; О.А. Капуш; О.Ф. Ісаєва; С.І. Будзуляк; А.Ю. Бузіашвілі; Я.В. Пірко; М.А. Скорик; А.І. Ємець; О.М. Грещук; В. Юхимчук; В.М. Джаган

doi:10.15330/pcss.24.4.682-691

Автор(и)

Н.В. Мазур Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, Україна
О.А. Капуш Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, Україна
О.Ф. Ісаєва Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, Україна
С.І. Будзуляк Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, Україна
А.Ю. Бузіашвілі Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України, Київ, Україна
Я.В. Пірко Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України, Київ, Україна
М.А. Скорик Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова, НАН України, Київ, Україна
А.І. Ємець Інститут харчової біотехнології та геноміки НАН України, Київ, Україна
О.М. Грещук Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, Україна
В. Юхимчук Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, Україна
В.М. Джаган Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України, Київ, Україна

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.24.4.682-691

Ключові слова:

підкладка SERS, LSPR, реакція Толленса, Раманівське розсіювання

Анотація

Повідомляється про швидке одноетапне виготовлення ефективних SERS-підкладок за допомогою модифікованого підходу на основі реакції срібного дзеркала (з використанням реактиву Толленса). Комерційно доступні мікроскопічні предметні скельця або покривні скельця використовували в готовому стані без спеціальної обробки поверхні. На відміну від зазвичай використовуваного двоетапного процесу, склад реактиву Толленса був модифікований для реалізації одноетапного процесу. Отримані гомогенні плівки щільно упакованих наноострівців є перспективними для застосування в якості підкладок для поверхнево-посиленої Раманівської спектроскопії (SERS), що продемонстровано на кількох різних типах молекул як аналітів. Зокрема, досягнутий рівень виявлення стандартного аналіта-барвника, аж до 10^-14 М родаміну 6G, знаходиться в діапазоні найкращих значень, про які повідомляється в літературі. Також показане детектування низьких концентрації деяких біомолекул, таких як лізоцим (10^-4 М), аденін (10^-4 М), саліцилова кислота (10^-5 М). Для деяких аналітів сильніший SERS спостерігався в краплі, для інших після висушування розчинника. Описано можливі причини такого ефекту. Застосовуючи термічний відпал в атмосфері інертного газу, морфологію плівки Ag можна частково перетворити на коралоподібну 3D-структуру, що може бути вигідним для локалізації аналіту в гарячих точках і забезпечити додаткову спектральну настроюваність плазмонного резонансу.

Посилання

L. Shi, L. Zhang, Y. Tian, Rational Design of Surface‐Enhanced Raman Scattering Substrate for Highly Reproducible Analysis, Analysis & Sensing. 3(2), e202200064 (2023); https://doi.org/10.1002/anse.202200064.

T. Moisoiu, M.P. Dragomir, S.D. Iancu, S. Schallenberg, G. Birolo, G. Ferrero, D. Burghelea, A. Stefancu, R.G. Cozan, E. Licarete, A. Allione, G. Matullo, G. Iacob, Z. Bálint, R.I. Badea, A. Naccarati, D. Horst, B. Pardini, N. Leopold, F. Elec, Combined miRNA and SERS urine liquid biopsy for the point-of-care diagnosis and molecular stratification of bladder cancer, Molecular Medicine. 28 (2022) 39; https://doi.org/10.1186/s10020-022-00462-z.

M.V. Chursanova, V.M. Dzhagan, V.O. Yukhymchuk, O.S. Lytvyn, M.Y. Valakh, I.A. Khodasevich, D. Lehmann, D.R.T. Zahn, C. Waurisch, S.G. Hickey, Nanostructured silver substrates with stable and universal sers properties: Application to organic molecules and semiconductor nanoparticles, Nanoscale Res Lett. 5, 403 (2010), https://doi.org/10.1007/s11671-009-9496-2.

S.P. Usha, H. Manoharan, R. Deshmukh, R. Álvarez-Diduk, E. Calucho, V.V.R. Sai, A. Merkoçi, Attomolar analyte sensing techniques (AttoSens): A review on a decade of progress on chemical and biosensing nanoplatforms, Chem Soc Rev. 50, 13012 (2021); https://doi.org/10.1039/d1cs00137j.

R.E. Ionescu, E.N. Aybeke, E. Bourillot, Y. Lacroute, E. Lesniewska, P.M. Adam, J.L. Bijeon, Fabrication of annealed gold nanostructures on pre-treated glow-discharge cleaned glasses and their used for localized surface plasmon resonance (LSPR) and surface enhanced raman spectroscopy (SERS) detection of adsorbed (Bio)molecules, Sensors (Switzerland). 17, 236 (2017); https://doi.org/10.3390/s17020236.

L. Mikoliunaite, R.D. Rodriguez, E. Sheremet, V. Kolchuzhin, J. Mehner, A. Ramanavicius, D.R.T. Zahn, The substrate matters in the Raman spectroscopy analysis of cells, Sci Rep. 5, 13150 (2015); https://doi.org/10.1038/srep13150.

K. Malek, A. Jaworska, P. Krala, N. Kachamakova-Trojanowska, M. Baranska, Imaging of macrophages by surface enhanced raman spectroscopy (SERS), Biomed Spectrosc Imaging. 2, 349 (2013); https://doi.org/10.3233/BSI-130052.

A. Muravitskaya, A. Rumyantseva, S. Kostcheev, V. Dzhagan, O. Stroyuk, P.-M. Adam, Enhanced Raman scattering of ZnO nanocrystals in the vicinity of gold and silver nanostructured surfaces, Opt Express. 24, A168 (2016); https://doi.org/10.1364/OE.24.00A168.

M. Rahaman, A.G. Milekhin, A. Mukherjee, E.E. Rodyakina, A.V. Latyshev, V.M. Dzhagan, D.R.T. Zahn, The role of a plasmonic substrate on the enhancement and spatial resolution of tip-enhanced Raman scattering, Faraday Discuss. 214, 309 (2019); https://doi.org/10.1039/c8fd00142a.

S. Fornasaro, F. Alsamad, M. Baia, L.A.E. Batista De Carvalho, C. Beleites, H.J. Byrne, A. Chiadò, M. Chis, M. Chisanga, A. Daniel, J. Dybas, G. Eppe, G. Falgayrac, K. Faulds, H. Gebavi, F. Giorgis, R. Goodacre, D. Graham, P. La Manna, S. Laing, L. Litti, F.M. Lyng, K. Malek, C. Malherbe, M.P.M. Marques, M. Meneghetti, E. Mitri, V. Mohaček-Grošev, C. Morasso, H. Muhamadali, P. Musto, C. Novara, M. Pannico, G. Penel, O. Piot, T. Rindzevicius, E.A. Rusu, M.S. Schmidt, V. Sergo, G.D. Sockalingum, V. Untereiner, R. Vanna, E. Wiercigroch, A. Bonifacio, Surface Enhanced Raman Spectroscopy for Quantitative Analysis: Results of a Large-Scale European Multi-Instrument Interlaboratory Study, Anal Chem. 92, 4053 (2020); https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b05658.

D.B. Grys, B. de Nijs, J. Huang, O.A. Scherman, J.J. Baumberg, SERSbot: Revealing the Details of SERS Multianalyte Sensing Using Full Automation, ACS Sens. 6, 4507 (2021); https://doi.org/10.1021/acssensors.1c02116.

T. Itoh, M. Procházka, Z.C. Dong, W. Ji, Y.S. Yamamoto, Y. Zhang, Y. Ozaki, Toward a New Era of SERS and TERS at the Nanometer Scale: From Fundamentals to Innovative Applications, Chem Rev. 123, 1552 (2022); https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00316.

O.M. Buja, O.D. Gordan, N. Leopold, A. Morschhauser, J. Nestler, D.R.T. Zahn, Microfluidic setup for on-line SERS monitoring using laser induced nanoparticle spots as SERS active substrate, Beilstein Journal of Nanotechnology., 8, 237 (2017); https://doi.org/10.3762/bjnano.8.26.

V. Moisoiu, S.D. Iancu, A. Stefancu, T. Moisoiu, B. Pardini, M.P. Dragomir, N. Crisan, L. Avram, D. Crisan, I. Andras, D. Fodor, L.F. Leopold, C. Socaciu, Z. Bálint, C. Tomuleasa, F. Elec, N. Leopold, SERS liquid biopsy: An emerging tool for medical diagnosis, Colloids Surf B Biointerfaces., 208, 112064 (2021); https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2021.112064.

S.L. Kleinman, R.R. Frontiera, A.-I. Henry, J. a Dieringer, R.P. Van Duyne, Creating, characterizing, and controlling chemistry with SERS hot spots, Phys. Chem. Chem. Phys. 15, 21 (2013); https://doi.org/10.1039/c2cp42598j.

M.M. Dvoynenko, H.H. Wang, H.H. Hsiao, Y.L. Wang, J.K. Wang, Study of Signal-to-Background Ratio of Surface-Enhanced Raman Scattering: Dependences on Excitation Wavelength and Hot-Spot Gap, Journal of Physical Chemistry C. 121, 26438 (2017); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b08362.

I. Krishchenko, S. Kravchenko, E. Manoilov, A. Korchovyi, B. Snopok, Effect of Intense Hot-Spot-Specific Local Fields on Fluorescein Adsorbed at 3D Porous Gold Architecture: Evolution of SERS Amplification and Photobleaching under Resonant Illumination, Engineering Proceedings. 35, 32 (2023); https://doi.org/10.3390/iecb2023-14606.

V. Dan’ko, M. Dmitruk, I. Indutnyi, S. Mamykin, V. Myn’ko, P. Shepeliavyi, M. Lukaniuk, P. Lytvyn, Au Gratings Fabricated by Interference Lithography for Experimental Study of Localized and Propagating Surface Plasmons, Nanoscale Res Lett. 12, 190 (2017); https://doi.org/10.1186/s11671-017-1965-4.

M. Rahaman, S. Moras, L. He, T.I. Madeira, D.R.T. Zahn, Fine-tuning of localized surface plasmon resonance of metal nanostructures from near-Infrared to blue prepared by nanosphere lithography, J Appl Phys. 128, 233104 (2020); https://doi.org/10.1063/5.0027139.

B. Tim, P. Błaszkiewicz, M. Kotkowiak, Recent advances in metallic nanoparticle assemblies for surface-enhanced spectroscopy, Int J Mol Sci. 23, 291 (2022); https://doi.org/10.3390/ijms23010291.

L. Mikac, M. Ivanda, M. Gotić, V. Janicki, H. Zorc, T. Janči, S. Vidaček, Surface-enhanced Raman spectroscopy substrate based on Ag-coated self-assembled polystyrene spheres, J Mol Struct. 1146, 530 (2017); https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2017.06.016.

O. Smirnov, V. Dzhagan, M. Kovalenko, O. Gudymenko, V. Dzhagan, N. Mazur, O. Isaieva, Z. Maksimenko, S. Kondratenko, M. Skoryk, V. Yukhymchuk, ZnO and Ag NP-decorated ZnO nanoflowers: green synthesis using Ganoderma lucidum aqueous extract and characterization, RSC Adv. 13, 756 (2023);. https://doi.org/10.1039/d2ra05834k.

A. Mukherjee, F. Wackenhut, A. Dohare, A. Horneber, A. Lorenz, H. Müchler, A.J. Meixner, H.A. Mayer, M. Brecht, Three-Dimensional (3D) Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) Substrates: Fabrication and SERS Applications, Journal of Physical Chemistry C. 127, 13689 (2023); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c02410.

M.V. Chursanova, L.P. Germash, V.O. Yukhymchuk, V.M. Dzhagan, I.A. Khodasevich, D. Cojoc, Optimization of porous silicon preparation technology for SERS applications, Appl Surf Sci. 256, (2010); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.12.036.

V.O. Yukhymchuk, O.M. Hreshchuk, V.M. Dzhagan, N.A. Matveevskaya, T.G. Beynik, M.Y. Valakh, M. V. Sakhno, M.A. Skoryk, S.R. Lavoryk, G.Y. Rudko, N.A. Matveevskaya, T.G. Beynik, M.Y. Valakh, Experimental Studies and Modeling of “ Starlike ” Plasmonic Nanostructures for SERS Application, Phys. Stat. Sol. (b). 256, 1800280 (2019); https://doi.org/10.1002/pssb.201800280.

V.M. Dzhagan, Ya.V. Pirko, A.Yu. Buziashvili, S.G. Plokhovska, M.M. Borova, A.I. Yemets, N.V. Mazur, O.A. Kapush, V.O. Yukhymchuk, Controlled aggregation of plasmonic nanoparticles to enhance the efficiency of SERS substrates, Ukrainian Journal of Physics. 67, 80 (2022); https://doi.org/10.15407/ujpe67.1.80.

M. Fränzl, S. Moras, O. D. Gordan, D. R. T. Zahn, Interaction of One-Dimensional Photonic Crystals and Metal Nanoparticle Arrays and Its Application for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, The Journal of Physical Chemistry C. 122, 10153 (2018); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b02241.

M. Borovaya, I. Horiunova, S. Plokhovska, N. Pushkarova, Y. Blume, A. Yemets, Institute, Synthesis , Properties and Bioimaging Applications of Silver-Based Quantum Dots, Int. J. Mol. Sci. 22, 12202 (2021).

J. Krajczewski, V. Joubert, A. Kudelski, Light-induced transformation of citrate-stabilized silver nanoparticles : Photochemical method of increase of SERS activity of silver colloids, Colloids Surf A Physicochem Eng Asp. 456, 41 (2014). https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2014.05.005.

A. Jaworska, T. Wojcik, K. Malek, U. Kwolek, M. Kepczynski, A.A. Ansary, S. Chlopicki, M. Baranska, Rhodamine 6G conjugated to gold nanoparticles as labels for both SERS and fluorescence studies on live endothelial cells, Microchimica Acta. 182, 119 (2015); https://doi.org/10.1007/s00604-014-1307-5.

V. V. Strelchuk, O.F. Kolomys, E.B. Kaganovich, I.M. Krishchenko, B.O. Golichenko, M.I. Boyko, S.O. Kravchenko, I. V. Kruglenko, O.S. Lytvyn, E.G. Manoilov, I.M. Nasieka, Optical characterization of SERS substrates based on porous au films prepared by pulsed laser deposition, J Nanomater. 2015, 203515 (2015); https://doi.org/10.1155/2015/203515.

I. Krishchenko, S. Kravchenko, I. Kruglenko, E. Manoilov, B. Snopok, 3D Porous Plasmonic Nanoarchitectures for SERS-Based Chemical Sensing, Engineering Proceedings. 27, 41 (2022); https://doi.org/10.3390/ecsa-9-13200.

V. Dzhagan, O. Smirnov, M. Kovalenko, N. Mazur, O. Hreshchuk, N. Taran, S. Plokhovska, Y. Pirko, A. Yemets, V. Yukhymchuk, D.R.T. Zahn, Spectroscopic Study of Phytosynthesized Ag Nanoparticles and Their Activity as SERS Substrate, Chemosensors. 10 (2022); https://doi.org/10.3390/chemosensors10040129.

N.J. Borys, J.M. Lupton, Surface-enhanced light emission from single hot spots in tollens reaction silver nanoparticle films: Linear versus nonlinear optical excitation, Journal of Physical Chemistry C. 115, 13645 (2011); https://doi.org/10.1021/jp203866g.

T. Xu, X. Wang, X. Zhang, Z. Bai, Compact Ag nanoparticles anchored on the surface of glass fiber filter paper for SERS applications, Appl Phys A Mater Sci Process. 128, (2022); https://doi.org/10.1007/s00339-022-05459-3.

L. Qu, L. Dai, Novel silver nanostructures from silver mirror reaction on reactive substrates, Journal of Physical Chemistry B. 109, 13985 (2005). https://doi.org/10.1021/jp0515838.

U. Malik, D. Korcoban, S. Mehla, A.E. Kandjani, Y.M. Sabri, S. Balendhran, S.K. Bhargava, Fabrication of fractal structured soot templated titania-silver nano-surfaces for photocatalysis and SERS sensing, Appl Surf Sci. 594 (2022); https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153383.

A. Mukherjee, F. Wackenhut, A. Dohare, A. Horneber, A. Lorenz, H. Müchler, A.J. Meixner, H.A. Mayer, M. Brecht, Three-Dimensional (3D) Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) Substrates: Fabrication and SERS Applications, Journal of Physical Chemistry C. 127, 13689 (2023); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c02410.

M.L. Cheng, B.C. Tsai, J. Yang, Silver nanoparticle-treated filter paper as a highly sensitive surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate for detection of tyrosine in aqueous solution, Anal Chim Acta. 708, 89 (2011); https://doi.org/10.1016/j.aca.2011.10.013.

H. Zhai, C. Zhu, X. Wang, Y. Yuan, H. Tang, Arrays of Ag-nanoparticles decorated TiO2 nanotubes as reusable three-dimensional surface-enhanced Raman scattering substrates for molecule detection, Front Chem. 10 (2022); https://doi.org/10.3389/fchem.2022.992236.

Y. Zhao, W. Luo, P. Kanda, H. Cheng, Y. Chen, S. Wang, S. Huan, Silver deposited polystyrene (PS) microspheres for surface-enhanced Raman spectroscopic-encoding and rapid label-free detection of melamine in milk powder, Talanta. 113, 7 (2013); https://doi.org/10.1016/j.talanta.2013.03.075.

K.L.W. L.F. Fieser, Organic Experiments, D.C. Health and Co., Lexington, 1987.

S. Adomavičiūtė-Grabusovė, S. Ramanavičius, A. Popov, V. Šablinskas, O. Gogotsi, A. Ramanavičius, Selective enhancement of sers spectral bands of salicylic acid adsorbate on 2d ti3 c2 tx-based mxene film, Chemosensors. 9 (2021); https://doi.org/10.3390/chemosensors9080223.

A. Shiohara, Y. Wang, L.M. Liz-Marzán, Recent approaches toward creation of hot spots for SERS detection, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 21, 2 (2014); https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2014.09.001.

C. Farcau, S. Astilean, Mapping the SERS efficiency and hot-spots localization on gold film over nanospheres substrates, Journal of Physical Chemistry C. 114, 11717 (2010); https://doi.org/10.1021/jp100861w.

C. Fang, A.V. Ellis, N.H. Voelcker, Electrochemical synthesis of silver oxide nanowires, microplatelets and application as SERS substrate precursors, Electrochim Acta. 59, 346 (2012); https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.10.068.

O.L. Stroyuk, V.M. Dzhagan, A.V. Kozytskiy, A.Y. Breslavskiy, S.Y. Kuchmiy, A. Villabona, D.R.T. Zahn, Nanocrystalline TiO2/Au films: Photocatalytic deposition of gold nanocrystals and plasmonic enhancement of Raman scattering from titania, Mater Sci Semicond Process. 37, (2015); https://doi.org/10.1016/j.mssp.2014.12.033.

V. Chegel, O. Rachkov, A. Lopatynskyi, S. Ishihara, I. Yanchuk, Y. Nemoto, J.P. Hill, K. Ariga, Gold nanoparticles aggregation: Drastic effect of cooperative functionalities in a single molecular conjugate, Journal of Physical Chemistry C. 116, 2683 (2012); https://doi.org/10.1021/jp209251y.

B. Giese, D. McNaughton, Surface-enhanced Raman spectroscopic and density functional theory study of adenine adsorption to silver surfaces, Journal of Physical Chemistry B. 106, 101 (2002); https://doi.org/10.1021/jp010789f.

R.M. Banciu, N. Numan, A. Vasilescu, Optical biosensing of lysozyme, J Mol Struct. 1250, (2022). https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2021.131639.

G. Das, F. Mecarini, F. Gentile, F. De Angelis, H.G. Mohan Kumar, P. Candeloro, C. Liberale, G. Cuda, E. Di Fabrizio, Nano-patterned SERS substrate: Application for protein analysis vs. temperature, Biosens Bioelectron. 24, 1693 (2009); https://doi.org/10.1016/j.bios.2008.08.050.

V.A. Dan’ko, I.Z. Indutnyi, V.I. Mynko, P.M. Lytvyn, M. V. Lukaniuk, H. V. Bandarenka, A.L. Dolgyi, S. V. Redko, Formation of laterally ordered arrays of noble metal nanocavities for sers substrates by using interference photolithography, Semiconductor Physics, Quantum Electronics and Optoelectronics. 24, 48 (2021); https://doi.org/10.15407/spqeo24.01.48.

J. Hu, R. Sheng Sheng, Z.X. San, Y. Zeng, Surface enhanced Raman spectroscopy of lysozyme, Spectrochirnica Acta. 51, 1087 (1995).

N.R. Agarwal, M. Tommasini, E. Ciusani, A. Lucotti, S. Trusso, P.M. Ossi, Protein-Metal Interactions Probed by SERS: Lysozyme on Nanostructured Gold Surface, Plasmonics. 13, 2117 (2018); https://doi.org/10.1007/s11468-018-0728-0.

D. Zhang, O. Neumann, H. Wang, V.M. Yuwono, A. Barhoumi, M. Perham, J.D. Hartgerink, P. Wittung-Stafshede, N.J. Halas, Gold Nanoparticles Can Induce the Formation of Protein-based Aggregates at Physiological pH, Nano Lett. 9, 666 (2009); https://doi.org/10.1021/nl803054h.

Worldwide proteine data bank. DOI: https://doi.org/10.2210/pdb1dpx/pdb, (n.d.).

Y. Wang, Y.-S. Li, Z. Zhang, D. An, Surface-enhanced Raman scattering of some water insoluble drugs in silver hydrosols, n.d. www.elsevier.com/locate/saa.

S.D. Iancu, A. Stefancu, V. Moisoiu, L.F. Leopold, N. Leopold, The role of Ag+, Ca2+, Pb2+ and Al3+ adions in the SERS turn-on effect of anionic analytes, Beilstein Journal of Nanotechnology. 10, 2338 (2019); https://doi.org/10.3762/bjnano.10.224.

Y. Fleger, Y. Mastai, M. Rosenbluh, D.H. Dressler, SERS as a probe for adsorbate orientation on silver nanoclusters, Journal of Raman Spectroscopy. 40, 1572 (2009); https://doi.org/10.1002/jrs.2300.