[論文レビュー] Highly sensitive silver decorated-graphene oxide-silicon nanowires hybrid SERS sensors for trace level detection of environmental pollutants

Kais Daoudi, Mounir Gaidi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、水中の環境汚染物質を微量検出可能な高感度なシルバー・ナノプリズム/グラフェンオキサイド/シリコンナノワイヤー（AgNPr/GO/SiNWs）ハイブリッドSERSセンサーを提案する。シリコンナノワイヤーのエッチング時間の最適化と、プラズモン効果および2次元材料効果の相乗効果を活用することで、メチレンブルーおよびアトラジンの検出限界は10⁻¹² M（ピコモル）に達し、ルービンA6GのSERS増幅因子は6.1 × 10¹⁰に達する。

ABSTRACT

In this study, we evaluated the sensing performance of silver nanoprism/graphene oxide/silicon nanowires (AgNPr/GO/SiNWs) nanohybrid system for effective detection of organic dye and herbicide residues in freshwater via surface-enhanced Raman scattering (SERS). Homogenous and vertically aligned SiNWs have been successfully synthesized using metal-assisted chemical etching technique by varying the etching time from 10 to 30 min. AgNPr/GO/SiNW hybrids were assembled by spin-coating of GO followed by drop-casting deposition of AgNPr. The microstructures of AgNPr/GO/SiNWs are strongly affected by the etching time of SiNWs, which in turn affected its SERS performance when rhodamine 6G is used as an analyte molecule. Owing to the synergetic effects of GO and AgNPr, SERS response of AgNPr/GO/SiNWs composites were found to be superior compared to AgNPr/SiNWs. High efficiency of 6.1 x 1010 has been achieved with AgNPr/GO/SiNWs based sensor fabricated with 30-min etched SiNWs for rhodamine 6G. An effective way of rapid detection of drinking water pollutants such as methylene blue and atrazine up to picomolar (10-12 M) concentrations was demonstrated using these low-cost AgNPr/GO/SiNWs nanohybrids SERS sensors.

研究の動機と目的

• 淡水中の有機染料および除草剤を微量検出可能な低コストで高感度なSERSセンサーの開発。
• スケーラブルなナノ材料を用いて、超微量レベル（ppb未満）の環境汚染物質を検出する課題への対応。
• シルバー・ナノプリズム、グラフェンオキサイド、垂直配向シリコンナノワイヤーのハイブリダイゼーションによりSERS性能を向上。
• プロセス中のシリコンナノワイヤーのエッチング時間の調整により、センサーの感度を最適化。

提案手法

• 垂直配向シリコンナノワイヤー（SiNWs）は、10分から30分までのエッチング時間を変化させた金属助剤化学エッチング法により合成された。
• スピンコーティングを用いて、SiNWs上にグラフェンオキサイド（GO）を堆積させ、2次元の導電性で吸着性の高い基板を形成した。
• ドロップキャスティングを用いて、シルバー・ナノプリズム（AgNPr）構造を堆積させ、SERS増幅のためのプラズモン的ホットスポットを形成した。
• ハイブリッドAgNPr/GO/SiNWs構造は、顕微鏡法およびラマン分光法を用いて特性評価され、SERS活性が評価された。
• SERS検出は、増幅因子を定量化するためにルービンA6Gをモデル analyte として用いた。
• メチレンブルーやアトロジンの検出限界は、ピコモル濃度で評価され、実用的応用の有効性を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AgNPr、GO、およびSiNWsの統合は、環境汚染物質検出に向けた感度が向上した相乗効果のあるSERSプラットフォームを形成できるか？
• RQ2 SiNWsのエッチング時間は、AgNPr/GO/SiNWsハイブリッドセンサーのSERS性能にどのように影響するか？
• RQ3 メチレンブルーやアトロジンといった一般的な環境汚染物質の検出限界は、このハイブリッドSERSセンサーでどの程度か？
• RQ4 AgNPr/SiNWs単体と比較して、GOの追加はSERS応答をどのように向上させるか？
• RQ5 この低コストで溶液処理可能なセンサーは、実際の水中試料においてピコモルレベルの検出を達成できるか？

主な発見

• 30分エッチングされたSiNWsを用いたAgNPr/GO/SiNWsセンサーは、ルービンA6Gに対して6.1 × 10¹⁰のSERS増幅因子を達成し、AgNPr/SiNWsを著しく上回った。
• AgNPr/SiNWs構造にGOを追加することで、分析物の吸着性向上とプラズモン結合の強化により、SERS感度が向上した。
• センサーは、10⁻¹² M（ピコモルレベル）という極めて低い濃度でメチレンブルーおよびアトロジンを効果的に検出できた。
• SERS応答はSiNWsのエッチング時間に強く依存しており、表面の形態とプラズモン場の分布が最適化された30分のエッチング時に最高の性能を示した。
• ハイブリッドセンサー設計により、低コストでスケーラブルなプロセスが可能でありながら、微量環境モニタリングに必要な高い感度を維持できる。