Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Multi-Scale Robotics Lab (MSRL) Институт по роботика и интелигентни системи, ETH Цюрих, Tannenstrasse 3, Цюрих, 8092 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Multi-Scale Robotics Lab (MSRL) Институт по роботика и интелигентни системи, ETH Цюрих, Tannenstrasse 3, Цюрих, 8092 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Multi-Scale Robotics Lab (MSRL) Институт по роботика и интелигентни системи, ETH Цюрих, Tannenstrasse 3, Цюрих, 8092 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Multi-Scale Robotics Lab (MSRL) Институт по роботика и интелигентни системи, ETH Цюрих, Tannenstrasse 3, Цюрих, 8092 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Институт по химично и биоинженерство, ETH Цюрих, Владимир Прелог Вег 1, Цюрих, 8093 Швейцария

Резюме

Микрофлуидните технологии се появиха като усъвършенствани инструменти за повърхностно подобрена Раманова спектроскопия (SERS). Те се оказаха особено привлекателни за откриване на място и в реално време на аналити при изключително ниски концентрации и до ниво 10 × 10 −15 m. Способността да се подготвят устройства, които могат да се конфигурират и могат да се използват многократно, предоставящи множество възможности за откриване, е нерешено предизвикателство. Тук е представен метод, базиран на микрофлуид, който позволява изключителен пространствен контрол върху локализацията на множество активни SERS субстрати в един микрофлуиден канал. Показано е, че тази технология осигурява изискан контрол върху транспортирането на аналити до определени точки за откриване, като същевременно се избягва кръстосано замърсяване; функция, която позволява едновременно откриване на множество аналити в рамките на един и същ микрофлуиден канал. Освен това се демонстрира, че SERS субстратите могат да бъдат рационално проектирани по прям начин и че те позволяват откриването на единични молекули (при концентрации до 10-14 m). И накрая, е показано, че бързото офортване и реконструкция на SERS подложките осигурява възможност за преконфигуриране и повторна употреба.

Още от откриването на засиленото на повърхността Раманово разсейване (SERS) [1], голямо внимание се съсредоточава върху подготовката на наноструктури на метална основа по лесен, здрав и бърз начин. [2, 3] В това отношение контролираната химическа редукция на благородни метали се счита за златно-стандартен подход при генерирането на SERS субстрати, позволяващи откриване на аналити при концентрация до 10 -13 m. [4, 5] Напоследък комбинацията от такива синтетични подходи с използване на съответстващи подложни слоеве се използва за получаване на прозрачни, гъвкави и силно активни SERS субстрати. [6-8] Новият напредък в тази област разчита на контролираното позициониране на SERS субстратите върху носещия слой и контролираната дифузия на молекулите на сондата (аналити) към активните места на SERS за тяхното откриване in situ и в реално време. [9]

Съответно технологиите отгоре надолу, базирани на микрофлуидни принципи, се появиха като усъвършенствани инструменти в няколко проучвания и приложения на SERS. [10] Микрофлуидните устройства осигуряват подходяща среда за генериране на SERS масиви на предварително дефинирани места в микрофлуиден канал, например чрез лазерно индуцирана фоторедукция. [4, 11-13] В допълнение, микрофлуидните методи имат потенциал за изискан контрол върху дифузията на аналитите до специфични точки за откриване. [14] Независимо от това, имайте предвид, че SERS подходите, базирани на микрофлуиди, са все още в зародиш и все още не са разгледани много предизвикателства. [9] Такива предизвикателства включват лесна подготовка на SERS субстрати като преконфигурируеми и повторно използваеми устройства, контролируемо улавяне и освобождаване на молекули на сондата без кръстосано замърсяване и способността да се откриват множество видове в рамките на един микрофлуиден канал.

Тук представяме нов метод, базиран на микрофлуиди, който адресира тези проблеми, позволявайки да се произвеждат множество SERS субстрати в една стъпка в рамките на един микрофлуиден канал. Методът е икономически ефективен, възпроизводим, силно чувствителен и позволява откриване при концентрации до 10-14 m. В допълнение, SERS субстратите могат да бъдат синтезирани с индивидуални пропорции, съчетаващи контролирана дифузия на натоварени с реагент потоци и задействане на пневматична скоба (виж по-долу). По-конкретно, ние демонстрираме, че тези две микрофлуидни характеристики позволяват: i) да контролират пространствената локализация на SERS субстратите, както и аналитите на определени места по един микрофлуиден канал, ii) за предотвратяване на кръстосано замърсяване и iii) за постигане на множество възможности за откриване, като по този начин се получават SERS баркодове. Освен това, нашият подход дава възможност за ецване и реконструкция на SERS основи по бърз и непрекъснат начин, като по този начин улеснява производството на реконфигурируеми и повторно използваеми SERS платформи. Трябва да се отбележи, че дори ако потенциалът на нашата методология е илюстриран тук с формирането на SERS баркодове, това е обща процедура, която може да бъде разширена, за да се постигне точна локализация на други функционални материали и/или молекули.

подход

За да увеличим броя на микроинженерните Ag структури, приготвени чрез безелектронно отлагане, решихме да добавим втори вход в нашето двуслойно микрофлуидно устройство (вход 2 на Фигура 1а) и да проучим образуването на Ag структурите при непрекъснат поток. В този случай, AgX и червените разтвори се инжектират във флуидния слой от входа 1 и входа 2, съответно (Фигура 1а и поддържащата информация за допълнителни подробности). Наблюдавахме, че когато се използват равни скорости на потока, Ag линия се нанася в центъра на основния микрофлуиден канал върху стъклената подложка. Ние се позоваваме на този процес като на образец на потока Ag. [17] Освен това показахме, че общата скорост на потока (TFR) от 100 µL min -1 генерира Ag линии, които са ≈10 µm широки, докато TFR от 20 µL min −1 води до 40 µm широки линии (Фигура S3b, в, подкрепяща информация). Тези резултати ясно показват, че линиите Ag с различни пропорции могат да се отлагат по прям начин, използвайки флуиден слой с форма Y.

Впоследствие оценихме ефективността на сегментираните Ag линии като SERS активни субстрати, използвайки кристално виолетово (CV) като модел на Raman сонда молекула. Избрахме CV, тъй като пръстовият отпечатък на Раман за тази молекула е широко проучен в SERS спектроскопията. [13, 22, 23] В типичен експеримент се инжектира воден разтвор на CV (на 10-6 m) за период от 4 минути при постоянен TFR от 50 µL min -1. След това потокът беше спрян и Рамановите спектри придобиха веднага след това. Както е показано на Фигура 2f, докато не са открити Раманови сигнали извън сегментираните Ag линии (напр. Точка 2 на Фигура 2f), измерванията, извършени върху сегментирани Ag линии, водят до интензивни Раманови спектри (напр. Точка 1 на Фигура 2f) . Рамановите спектри показват ленти, разположени на 724, 800, 914, 1173, 1295, 1369, 1440, 1531, 1582 и 1614 cm -1, които са характерни за CV. [13, 22, 23] Общият характер на нашия подход беше тестван и с различна сонда на Раман, а именно 4-аминотиофенол (4-АТФ) и протеин, а именно говежди серумен албумин, вижте Фигури S6 и S7, съответно (Допълнителна информация) . Следователно тези данни показват, че микроинженерните Ag субстрати действат като ефективни „горещи точки“, позволяващи откриване на различни анализи в разтвор. [24]

За да оценим ефективността на SERS на нашите Ag структури, ние инжектирахме CV разтвори при различни концентрации, вариращи между 10 −14 m и 10 −6 m. [4, 13, 25, 26] Всеки разтвор се инжектира по същия протокол, описан по-горе (TFR от 50 uL min -1 за период от 4 минути). Измерванията на SERS бяха проведени в 31 избрани точки за откриване по пресинтезирана и измита линия Ag, като всеки експеримент беше повторен три пъти за всяка концентрация на CV, за да се проведе статистически анализ. Фигура 2g показва, че при концентрация на CV само 10-13 m, ние наблюдаваме успешно откриване на аналит при 50% от измерванията (вижте подробностите за експеримента в подкрепящата информация), докато CV все още се открива на 10-14 m в 20 % от измерванията (Фигура S8, Допълнителна информация). С други думи, при концентрация -13 m сме в режим на стохастично откриване с приемлива вероятност за откриване на CV при концентрации до 10 -14 m. Имайте предвид, че стохастично откриване на SERS, наблюдавано при ниски концентрации, се приписва от няколко автори на единични/няколко събития за откриване на молекула. [13, 26, 27]

Отбелязваме, че макар CV да може да бъде открит при концентрации до 10-14 m при гореописаните условия (спрян поток), мониторингът в реално време на CV Raman сигнали при непрекъснат поток на аналита достига режим на стохастично откриване при по-високи концентрации . По-конкретно, при изтичане на CV разтвор при 50 µL min -1, установено е, че откриването на CV Raman сигнали е силно стохастично вече при концентрация 10 −9 m (Фигури S9 и S10, Допълнителна информация).

За да направим една крачка по-напред, ние изследвахме потенциала на нашата методология за маркиране на единичен Ag субстрат с два различни аналита, доставени на определени позиции. Фигура 4а показва развитието на интензивността на характерния пик на КР на CV при 914 cm -1 като функция от времето по време на етапите на етикетиране/измиване. Точките за данни бяха измерени в една позиция на сегментирана линия Ag, разположена под неактивирана пневматична скоба. В началото се инжектира CV разтвор (10 −6 m) при TFR 50 µL min −1 в канала, което води до бързо нарастване на нормализирания интензитет на Раман след кратка фаза на забавяне, достигайки плато на около 200 s ( Фигура 4 стъпка (i)). След това инжектирането на DI вода (при TFR 100 µL мин -1) доведе до намаляване на Рамановия сигнал до първоначалното ниво (Фигура 4, стъпка (ii)), като по този начин потвърди, че SERS субстратите могат лесно да бъдат възстановени чрез проста стъпка на измиване, без да са необходими трудоемки и трудоемки процедури. Имайте предвид, че задействането на пневматичната скоба е ключово за поддържане на физиосорбираните аналити като CV по време на етапа на измиване.

За етикетиране на единичен Ag субстрат с два различни аналита, ние използвахме частичното задействане на пневматични скоби. Първоначално разгледахме сегментирана Ag линия, маркирана с CV, както е посочено по-горе (Фигура 3а (ii)). Инжектирането на DI вода за 15 минути (при TFR от 100 µL мин -1), като същевременно частично задейства пневматичната скоба (Фигура 4b), ни позволи селективно да отмием аналита само от краищата на сегмента. Това доведе до локализирано откриване на CV само в средата на линията Ag (Фигура 4в). Последващо инжектиране на 4-ATP (10 -6 m) във флуидния слой (TFR от 50 µL min -1 за 10 минути), като същевременно се запазва частичното задействане на пневматичната скоба, доведе до последователно маркиране на линията Ag с двете аналитите. Например, ние показваме на фигура 4г, че при този подход една сегментирана линия Ag може да бъде баркодирана с 4-ATP/CV/4-ATP последователност.

Забележително е, че тази методология може да бъде разширена и към други микроинженерни Ag субстрати, като Ag филм (Фигура 4д; и Фигура S12, Поддържаща информация), за да се образуват 2D SERS баркодове (Фигура 4f), или до дълга линия Ag за генериране на по-дълъг 1D баркод (Фигура 4g (ii)). Наблюдавахме, че чрез промяна на налягането, приложено върху пневматичните скоби между 0,5 и 3 бара, можем да модулираме дължината на областта, маркирана с аналит, като по този начин увеличаваме възможностите за баркодиране на SERS. Например, Фигура 4g (ii) показва Раманова карта на Ag линия, последователно баркодирана с CV и 4-ATP (вижте допълнителната информация за повече подробности), където разстоянието между два аналита е модифицирано в съответствие с налягането на задействане на пневматичния скоби (3 бара = P1> 1 бара> P2> P3, фигура 4g (i, ii); и фигура S13, поддържаща информация). Освен това този подход може да бъде разширен и към филми Ag (Фигура S14, Поддържаща информация). Тези резултати ясно показват как контролираното задействане на пневматичната скоба е от решаващо значение за поддържане на желания образец на място и по този начин, важна характеристика, за да се даде възможност за множество SERS откривания в един и същ Ag субстрат.

И накрая, ние използвахме условията на ламинарен поток, присъстващи в нашето микрофлуидно устройство, за едновременно и в реално време откриване на два аналита, течащи в течния слой (Фигура 4h). В тези експерименти са използвани две сегментирани Ag линии, разположени под пневматична скоба като активни основи на SERS (Фигура 4h (i, ii)). Фигура 4h (iii) показва Раманова карта на едновременното откриване на CV (10 -6 m) и 4-ATP (10 -6 m) разтвори, инжектирани при TFR от 50 µL min -1. Данните ясно демонстрират пространствения контрол, който нашият метод гарантира, водещ различни молекули на сондата на Раман до специфични точки за откриване за едновременно откриване по един микрофлуиден канал.

Представено е производството на множество активни SERS субстрати вътре в един микрофлуиден канал. Този метод гарантира отличен контрол както върху локализацията на SERS субстратите, така и върху тяхното пропорционално съотношение по ясен начин. Освен това демонстрираме, че получените по този начин субстрати SERS могат да достигнат до детектиране при концентрации до 10-14 m, където дифузията на молекулите на сондата на Раман може да бъде прецизно впрегната в специфични точки за откриване, предотвратявайки кръстосаното замърсяване и предоставяйки множество възможности за откриване . Тези характеристики водят до генериране на SERS баркодове. Освен това е описан процес на офорт с TCNQ, който гарантира появата на преконфигурируеми, многократно използвани и силно гъвкави SERS платформи. И накрая, ние вярваме, че тази технология може да се използва и за откриване на нови пътища в други изследователски области, които изискват региоселективна функционализация на малките метални наноструктури или които търсят решения за овладяване на растежа на функционалната материя на повърхностите. Имайте предвид, че контролираният растеж на функционални материали върху повърхностите е от решаващо значение за отключване на пълния им потенциал в нови привлекателни устройства и технологично значими системи.

експериментална секция

Материали

Разтворите за сол на Ag (AgX) и редуциращи агенти (червени) (HE-300A сребърен разтвор, HE-300B разтвор за активатор и HE300C редуктор) са закупени от Peacock Laboratories (САЩ). TCNQ и R6G са получени от Sigma-Aldrich (Сейнт Луис, САЩ). CV хидратът е закупен от TCI Deutschland GmbH (Германия) и 4-ATP от Fluorochem (Glossop, Великобритания). Ацетонитрил с течна хроматография с висока производителност е закупен от VWR International (Франция). Във всички експерименти се използва DI вода.

Двуслойно микрофлуидно производство на чипове

Изработване на шарени електроди върху стъклен капак

Междинните модели на електродите са произведени върху стъклени покривни стъкла с помощта на хромирана маска и техника на повдигане. [15] Разстоянието между електродите беше 5 µm. След центрофугиране (при 4000 об/мин за 30 s) фоторезист AZ 5214 E (Clariant, GmbH) и меко изпичане при 100 ° C в продължение на 1 минута, UV-фотолитография беше извършена в режим на твърд контакт с използване на Karl Süss MA/BA6 маска за подравняване на маска (Süss MicroTec SE, Германия). След излагане на ултравиолетови лъчи беше проведена стъпка за разработване, за да се позволи метализирането на структурираните стъклени покривни стъкла с хром и платина (съответно с дебелина 10 и 100 nm). Метализацията се извършва с помощта на електронно-лъчева система за изпаряване (Plassys Bestek, Франция) преди излизането с ацетонов разтворител.

Видеоклипове/Оптични изображения

Видеоклиповете и изображенията на ярко поле са направени с помощта на микроскоп Nikon Eclipse Ti (Холандия), оборудван с цветна камера RETIGA R1 (САЩ).

In Situ Raman Measurements

Всички измервания на Раман са извършени с помощта на обърнат Раманов микроскоп (XploRA INV, Horiba Europe GmbH, Белгия), оборудван с 532 и 785 nm лазери (вж. Таблица S1 за повече подробности относно параметрите за получаване за всеки експеримент, Поддържаща информация).

SEM изображенията бяха събрани със сканиращ електронен микроскоп Zeiss Ultra 55, използващ ускорително напрежение от 5.0 kV. Пробите бяха покрити преди SEM изображения с 5 nm (Pt/Pd), използвайки Quorum Q150T-S разпръскващо покритие.

XRD анализ

Стандартните XRD модели са събрани с прахообразен дифрактометър Bruker D8 Advance в Bragg-Brentano Geometry, оборудван с чувствителен на положение MBraun PSD-50M детектор и извит Ge-монохроматор (Cu Kα радиация; λ = 1,5418 А). Пробите бяха монтирани върху плоска стъклена плоча за проби. Моделите бяха събрани с размер на стъпката от 0,032 ° и време на експозиция от 1,4 s на стъпка.

EDX спектроскопия

EDX спектроскопията и картографирането на елементите бяха извършени на FEI Quanta 200 SEM, оборудван с енергийно-дисперсионен рентгенов анализ (EDAX Octane Super).

Измервания на електрическата проводимост

Електрическата характеристика на отглежданите на място проводници AgTCNQ беше извършена с помощта на стъклено покривало с шарки с електроди и с помощта на Karl Süss Prober PM8 (Süss MicroTec SE, Германия). Измерванията бяха проведени чрез прилагане на линейно напрежение, изметено в конфигурация на двуточкова сонда.

Благодарности

Тази работа беше частично подкрепена от Европейския изследователски съвет Starting Grant microCrysFact (ERC ‐ 2015 ‐ STG № ​​677020), Швейцарската национална научна фондация (Проект № 200021_181988) и ETH Zürich.

Конфликт на интереси

Авторите не декларират конфликт на интереси.

Описание на името на файла
advs1730-sup-0001-SuppMat.pdf1,7 MB подкрепяща информация
advs1730-sup-0002-MovieS1.avi1,7 MB Допълнителен филм 1

Моля, обърнете внимание: Издателят не носи отговорност за съдържанието или функционалността на която и да е поддържаща информация, предоставена от авторите. Всички заявки (различни от липсващо съдържание) трябва да бъдат насочени към съответния автор на статията.