[論文レビュー] Direct Growth Graphene on Cu Nanoparticles by Chemical Vapor Deposition as Surface-Enhanced Raman Scattering Substrate for Label-Free Detection of Adenosine

Shicai Xu, Baoyuan Man+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2015

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications参考文献 50被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、アデノシンのラベルフリー検出に向けた高感度な表面増強ラーマン散乱（SERS）感受体として、直接化学蒸着法（CVD）で成長したグラフェン/Cuナノ粒子（G/CuNPs）ハイブリッドを提示する。超薄膜のグラフェン被膜がSERS信号を強化し、血清中で5 nMまで検出可能であり、ヒトの尿中でも同定可能である。分子の濃縮とグラフェン被膜による保護のおかげで、優れた再現性と安定性を示す。

ABSTRACT

We present a graphene/Cu nanoparticle hybrids (G/CuNPs) system as a surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate for adenosine detection. The Cu nanoparticles wrapped around a monolayer graphene shell were directly synthesized on flat quartz by chemical vapor deposition in a mixture of methane and hydrogen. The G/CuNPs showed an excellent SERS enhancement activity for adenosine. The minimum detected concentration of the adenosine in serum was demonstrated as low as 5 nM, and the calibration curve showed a good linear response from 5 to 500 nM. The capability of SERS detection of adenosine in real normal human urine samples based on G/CuNPs was also investigated and the characteristic peaks of adenosine were still recognizable. The reproducible and the ultrasensitive enhanced Raman signals could be due to the presence of an ultrathin graphene layer. The graphene shell was able to enrich and fix the adenosine molecules, which could also efficiently maintain chemical and optical stability of G/CuNPs. Based on G/CuNPs system, the ultrasensitive SERS detection of adenosine in varied matrices was expected for the practical applications of medicine and biotechnology

研究の動機と目的

• 複雑な生物学的マトリックスにおけるアデノシンの高感度で再現性があり、安定したSERS感受体の開発を目的とする。
• 直接CVD法で成長したグラフェン被膜がSERS活性を向上させるとともに、Cuナノ粒子の安定化に果たす役割を明らかにすることを目的とする。
• ヒトの実際の生物学的試料（血清および尿など）におけるアデノシンの実用的検出を可能とすることを目的とする。
• 医療用途に適した線形ダイナミックレンジを有する低検出限界を達成することを目的とする。
• グラフェンで包まれたCuNPsを用いた堅牢なSERSプラットフォームとしての可能性を実証することを目的とする。

提案手法

• 平坦な石英基板上、メタンおよび水素を前駆体として用いた化学蒸着法（CVD）により、Cuナノ粒子上に単層グラフェンを直接成長させる。
• Cuナノ粒子を均一に被覆するグラフェン被膜を有するG/CuNPsヘテロ構造を形成するための合成法を採用する。
• 電磁的および化学的増強メカニズムを活用して、G/CuNPsをSERS感受体として利用する。
• 水溶液、血清、ヒトの尿試料におけるアデノシン検出にこの感受体を応用する。
• ラマン分光法を用いて、5–500 nMの濃度範囲でキャリブレーション曲線を生成し、定量的分析を実施する。
• G/CuNPsシステムの信号再現性および長期的安定性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Cuナノ粒子上に直接CVD法でグラフェンを成長させることで、アデノシンの超感受性かつ再現性のある検出が可能なSERS感受体が得られるか？
• RQ2 グラフェン被膜の存在が、Cuナノ粒子感受体のSERS増強および安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 G/CuNPs SERS感受体を用いた場合、複雑な生物学的マトリックスにおけるアデノシンの最低検出濃度はどの程度か？
• RQ4 G/CuNPs感受体は、信号干渉なしに実際のヒトの尿試料におけるアデノシンを信頼性高く検出できるか？
• RQ5 生物学的環境下で、グラフェン被膜が分子の濃縮およびCuNPsの保護にどの程度寄与しているか？

主な発見

• G/CuNPs感受体は、血清中におけるアデノシンの検出限界が5 nMに達し、超感受性を示した。
• 5～500 nMの濃度範囲で線形キャリブレーション曲線が得られ、信頼性の高い定量的検出が可能であることが示された。
• 実際のヒトの尿試料においても、アデノシンの特徴的なラーマンピークが識別可能であり、複雑なマトリックス内での適用可能性が確認された。
• グラフェン被膜により、アデノシン分子の効果的な濃縮と固定化が可能となり、信号強度および再現性が向上した。
• 超薄膜のグラフェン被膜の保護的役割のおかげで、化学的および光学的安定性に優れた性能を示した。
• 直接CVD成長法により、Cuナノ粒子上に均一でコンフォーマルなグラフェン被膜が形成され、一貫したSERS性能を発揮することが重要であった。