[논문 리뷰] Highly sensitive silver decorated-graphene oxide-silicon nanowires hybrid SERS sensors for trace level detection of environmental pollutants

Kais Daoudi, Mounir Gaidi외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 19.

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 수질 내 환경 오염물질의 미량 검출을 위한 고감도 은 나노프리즘/골드산화물/실리콘 나노와이어(AlNPr/GO/SiNWs) 복합 SERS 센서를 제시한다. 실리콘 나노와이어 에칭 시간을 최적화하고 플라스모닉 효과와 2차원 재료의 상호보완 효과를 활용함으로써, 멜라민 블루 및 아트라진에 대해 10⁻¹² M(피코몰러)의 검출 한계를 확보하였으며, 로다민 6G에 대한 SERS 증폭 인자는 6.1 × 10¹⁰에 이르렀다.

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.

연구 동기 및 목표

• freshwater 내 유기 염료 및 잡초제의 미량 검출을 위한 저비용, 고감도 SERS 센서 개발
• 확장 가능한 나노재료를 활용하여 초미량 수준(피프피브 이하)의 환경 오염물질 검출 과제 해결
• 은 나노프리즘, 골드산화물, 수직으로 정렬된 실리콘 나노와이어의 복합화를 통해 SERS 성능 향상
• 제조 과정에서 실리콘 나노와이어의 에칭 시간 조절을 통해 센서 감도 최적화

제안 방법

• 실리콘 나노와이어(SiNWs)는 10~30분의 에칭 시간을 변화시킨 금속 보조 화학 에칭을 통해 수직으로 정렬된 형태로 합성되었다.
• 2차원 도핑성 및 흡착 플랫폼을 형성하기 위해 실리콘 나노와이어에 스피인코팅을 이용해 골드산화물(GO)을 도포하였다.
• 드롭 캐스팅을 통해 은 나노프리즘(AgNPr) 구조를 도포하여 SERS 증폭을 위한 플라스모닉 핫스팟을 형성하였다.
• 복합 AgNPr/GO/SiNWs 구조는 현미경 및 라만 스펙트로스코피를 이용해 특성 분석되어 SERS 활성도를 평가하였다.
• SERS 검출는 증폭 인자를 정량화하기 위해 모델 분석물질로 로다민 6G를 사용하였다.
• 메틸렌 블루 및 아트라진의 검출 한계는 실제 적용 가능성을 입증하기 위해 피코몰러 농도에서 평가되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AgNPr, GO, SiNWs의 통합이 환경 오염물질 검출에 대해 향상된 감도를 보이는 상호보완적 SERS 플랫폼을 생성할 수 있는가?
• RQ2 SiNWs의 에칭 시간이 AgNPr/GO/SiNWs 복합 센서의 SERS 성능에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 이 복합 SERS 센서를 사용하여 메틸렌 블루 및 아트라진과 같은 일반적인 환경 오염물질의 검출 한계는 무엇인가?
• RQ4 AgNPr/SiNWs에 비해 GO의 추가가 SERS 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 저비용, 용액 기반 공정 센서는 실제 수질 시료에서 피코몰러 수준의 검출을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 30분 에칭된 SiNWs를 사용해 제조한 AgNPr/GO/SiNWs 센서는 로다민 6G에 대해 6.1 × 10¹⁰의 SERS 증폭 인자를 확보하였으며, 이는 AgNPr/SiNWs보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.
• AgNPr/SiNWs 구조에 GO를 추가함으로써 분석물질의 흡착 향상과 플라스모닉 결합 효과로 인해 SERS 감도가 향상되었다.
• 센서는 메틸렌 블루 및 아트라진을 10⁻¹² M(피코몰러 수준)까지 효과적으로 검출하였다.
• SERS 반응은 SiNWs의 에칭 시간에 크게 의존하였으며, 표면 형태 향상과 플라스모닉 필드 분포 개선로 인해 30분에서 최적의 성능을 보였다.
• 이 복합 센서 설계는 저비용, 확장 가능한 제조가 가능하면서도 미량 환경 모니터링에 높은 감도를 유지할 수 있도록 하였다.