PL219899B1

PL219899B1 - Sposób pokrywania hydrofilowych ciał stałych złotymi strukturami

Info

Publication number: PL219899B1
Application number: PL392222A
Authority: PL
Inventors: Katarzyna Winkler; Marcin Fiałkowski; Agnieszka Kamińska; Robert Hołyst
Original assignee: Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk; Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2010-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2015-07-31
Also published as: CH703612B1; PL392222A1; CH703612A2

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pokrywania powierzchni hydrofilowych ciał stałych (metali, półprzewodników i dielektryków), w szczególności krzemu, szkła, tlenku indowo-cynowego (ITO), aluminium i azotku galu, złotymi strukturami o pofałdowanym lub postrzępionym kształcie i o średnicy większej niż 1 ąm, zwane dalej złotymi „nano-kwiatami” lub „mikro-kwiatami”.

Opisy złotych struktur, których pofałdowany lub postrzępiony kształt przypomina kwiaty (flower-like gold particles, gold nanoflowers, gold microflowers), pojawiły się w literaturze naukowej zaledwie kilka lat temu. Procesy, które pozwalają na otrzymywanie złotych pokryć powierzchni, prowadzone są na elektrodach. W wyniku elektrodepozycji, powstałe po redukcji jonów złota nanocząstki albo osadzają się bezpośrednio na powierzchni elektrody w postaci nano-kwiatów [Hui-Hong Liu, Ying Liang, Hua-Jun Liu, Electrochimica Acta, 2009, 54, 75144; Yin Li, Gaoquan Shi, The Journal of Physical Chemistry B, 2005, 109, 23787], albo jako cząstki kuliste, które w obecności mieszaniny reakcyjnej przekształcają się w kwiaty [Ashok Kumar Das, C. Retna Raj, Journal of Electroanalytical Chemistry, 2010, 638, 189]. Większość publikacji dotyczy syntezy złotych nano- lub mikro-kwiatów w roztworze. Zazwyczaj źródłem kationów złota jest w nich kwas tetrachlorozłotowy (HAuCl4) lub jego sole, natomiast za powstawanie postrzępionych, kwiatopodobnych struktur odpowiadają inne obecne w mieszaninie reakcyjnej reagenty o precyzyjnie dobranych stężeniach. Mogą to być między innymi wybrane polimery, jak np. polianilina [P. R. Sajanlal, T. S. Sreeprasad, A. Sreekumaran Nair, T. Pradeep, Langmuir, 2008, 24, 4607] czy chitozan [Wei Wang, Hua Cui, The Journal of Physical Chemistry C, 2008, 112, 10759; Wei Wang, Xuan Yang, Hua Cui, The Journal of Physical Chemistry C, 2008, 112, 16348] albo surfaktanty, tworzące pęcherzyki, wewnątrz których zachodzi formowanie się złotych kwiatopodobnych struktur [Ling Zhong, Xiaodong Zhai, Xuefeng Zhu, Pingping Yao, Minghua Liu, Langmuir, 2010, 26 (8), 5876; Haolong Li, Yang Yang, Yizhan Wang, Wen Li, Lihua Bi, Lixin Wu, Chemical Communications, 2010, 46, 3750]. W celu uzyskania złotych kwiatów, reakcję prowadzi się także w obecności DNA [Zidong Wang, Jieqian Zhang, Jonathan M. Ekman, Paul J. A. Kenis, Yi Lu, Nano Letters, 2010, 10, 1886] lub wykorzystuje działanie promieniowania ultrafioletowego na mieszaninę zawierającą HAuCl4, jony srebra i poliwinylopirolidon, a następnie wirowanie, w wyniku którego powstałe nanocząstki zbijają się w kwiatopodobne agregaty [Li Wang, Gang Wei, Cunlan Guo, Lanlan Sun, Yujing Sun, Yonghai Song, Tao Yang, Zhuang Li, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2008, 312,148].

Przedstawione sposoby syntezy złotych nano- i mikro-kwiatów w większości opisanych przypadków są procesami wieloetapowymi, wymagającymi uprzedniej syntezy złotych nanocząstek i stosowania wielu reagentów. Są to ponadto metody pozwalające na uzyskanie pofałdowanych złotych cząstek w roztworze, natomiast w przypadkach pokrywania nimi powierzchni, konieczne było dodatkowo stosowanie elektrodepozycji. Te metody, w których, podobnie jak to ma miejsce w niniejszym wynalazku, zachodzi redukcja kationów złota hydroksyloaminą, wymagają stosowania wyjściowych nanocząstek oraz dodatkowych reagentów; są także procesami wieloetapowymi.

Struktury otrzymane metodą według wynalazku mogą służyć jako tak zwane platformy do pomiarów powierzchniowo wzmocnionego efektu Ramana (ang. Surface Enhanced Raman Scattering, SERS). Jest to technika spektroskopowa polegająca na pomiarze intensywności światła z zakresu nadfioletu, widzialnego i bliskiej podczerwieni, nieelastycznie rozproszonego na molekułach zaadsorbowanych na powierzchniach niektórych metali (np. Ag, Au czy Cu), o nanometrowych chropowatościach (10-100 nm) [K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 78 (1997) 1667; S. Nie, S. R. Emory, Science, 275 (1997) 1102]. Jest ona jedną z najsilniej rozwijających się technik spektroskopowych w ostatniej dekadzie, umożliwia bowiem wzmocnienie efektywnego ramanowskiego przekroju czynnego molekuł zaadsorbowanych na powierzchni metalu o kilka rzędów wielkości (102-106, a dla pewnych systemów nawet 108-1015 [K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 78 (1997) 1667; S. Nie, S. R. Emory, Science, 275 (1997) 1102]) w stosunku do efektywnego ramanowskiego przekroju czynnego molekuł niezaadsorbowanych [M. Herne, A. M. Ahern, R. L. Garrell, J. Am. Chem. Soc., 113 (1991) 846; J. Thornton, R. K. Force, Appl. Spectrosc., 45 (1991) 1522].

Wzmocnienie sygnału SERS zależy od szeregu czynników, miedzy innymi od efektywnego ramanowskiego przekroju czynnego, od częstości promieniowania wzbudzającego, chemicznego pochodzenia molekuły, ale przede wszystkim zależy od rodzaju podłoża metalicznego, na którym molekuła jest zaadsorbowana i stopnia jego chropowatości.

PL 219 899 B1

Chropowatości te, czy inaczej mówiąc nierówności, odpowiadają za elektromagnetyczny mechanizm wzmocnienia, który jest dominującym mechanizmem wzmocnienia SERS [P. Kambhampati, C. M. Child, M. C. Foster, A. Campion, J. Chem. Phys., 108 (1998) 5013].

Wykonywanie widm SERS w obecności cząstek złota o odpowiednio pofałdowanej powierzchni pozwala otrzymywać dobre współczynniki wzmocnienia sygnału. Dla różnych kwiatopodobnych złotych cząstek prezentowanych w literaturze naukowej, różniących się rozmiarami i morfologią powierzchni, dowiedziono przydatności w analizie spektroskopowej [Jianping Xie, Qingbo Zhang, Jim Yang Lee, Daniel I. C. Wang, ACS Nano, 2008, 2 (12), 2473; Bikash Kumar Jena, C. Retna Raj, Chemistry of Materials, 2008, 20, 3546; Ju-Hyun Kim, Taejoon Kang, Seung Min Yoo, Sang Yup Lee, Bongsoo Kim, Yang-Kyu Choi, Nanotechnology, 2009, 20, 235302]. Złote nanokwiaty dawały lepsze współczynniki wzmocnienia dla SERS niż nanoblaszki i porowata struktura zbudowana ze złotych nanonitek [Tie Wang, Xiaoge Hu, Shaojun Dong, The Journal of Physical Chemistry B, 2006, 110, 16930].

Pomimo możliwości stosowania różnorodnych substratów, zwanych też podłożami lub platformami, ciągle istnieje problem z otrzymaniem powierzchni dających silne wzmocnienie widma i jego powtarzalność w każdym punkcie powierzchni. Są to niezwykle istotne cechy aktywnych powierzchni do pomiarów SERS, szczególnie w aspekcie wykorzystania tej techniki w badaniach biomedycznych czy konstrukcji biosensorów [Liu, G. L., Lu, Y, Kim, J., Doll, J. C., and Lee, L. P. Adv. Mater. 2005 17 2683; Domke, K. F., Zhang, D., and Pettinger, B. J. Am. Chem. Soc. 2007 129 6708; Gunawidjaja, R., Peleshanko, S., Ko, H., and Tsukruk, V. V. Adv. Mater. 2008, 20, 1544].

Mimo ogromnej liczby doniesień literaturowych i zgłoszeń patentowych nie ma obecnie żadnego sposobu, który gwarantowałby powtarzalność widm SERS przy danej morfologii powierzchni. Znane są powierzchnie do pomiarów SERS oparte o nanocząstki, nanodruty, nanopryzmy. Oto przykłady istotnych zgłoszeń patentowych z tej dziedziny:

Przedmiotem zgłoszenia USA nr US 2008/0096005 A1 „Nanostructured substrate for surface enhanced Raman scattering” jest powierzchnia krzemu, tlenku aluminium lub dwutlenku tytanu pokryta nanocząstkami srebra lub złota o rozmiarach od 20 nm do 140 nm. Dla bakterii E. coli zaadsorbowanych na jednej z przykładowych powierzchni uzyskano współczynnik wzmocnienia 2 x 10⁴, natomiast aspekt powtarzalności uzyskiwanych powierzchni nie był badany.

Przedmiotem zgłoszenia USA nr US 2006/0275541 A1 „System and method for fabricating substrate surfaces for SERS and apparatuses utilizing same” jest platforma do detekcji molekuł biologicznych techniką SERS, która obejmuje kontrolowane i ściśle zdefiniowane napylanie cienkich filmów złotych lub srebrnych (metodą PVC, ang. Physical Vapor Deposition, czyli osadzanie fizyczne z fazy gazowej) na powierzchni szkła, ciekłych kryształów lub polimerów. Autorzy podają współczynnik 10 wzmocnienia rzędu 10¹⁰ dla zarodnika typu Bacillus substilis, zaadsorbowanego na jednej z przykładowych powierzchni, natomiast aspekt powtarzalności widma w obrębie jednej i kilku różnych powierzchni nie był dyskutowany.

Przedmiotem patentu USA nr US 7,583,379 B2 „Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) systems and methods of use thereof” jest platforma SERS do detekcji wirusów, bakterii i innych biologicznych układów, obejmująca umieszczane na powierzchni szkła lub krzemu nanodruty srebrne, niklowe lub krzemowe, otrzymywane wspomnianą wyżej metodą PVD. Twórcy wynalazku analizują głównie zależność pomiędzy długością, średnicą i orientacją nanodrutów w stosunku do powierzchni a intensywnością uzyskiwanych widma SERS, nie podając liczbowych wielkości współczynnika wzmocnienia i zapewniając jednocześnie, że widma w obrębie jednej platformy są powtarzalne.

Przedmiotem zgłoszenia międzynarodowego opublikowanego za numerem WO 2009/035479 „Highly efficient enhanced Raman and fluorescence nanostructure substrate” jest platforma do pomiarów SERS zbudowana z powierzchni np. krzemu, pokrytej nanodrutami zbudowanymi z rdzenia, tj. Ga2O3, ZnO, InSb lub SiC, o długości od 20 nm do 100 nm i średnicy 40 nm, otrzymanego metodą VLS (ang. vapor-liquid-solid mechanism of deposition) i powłoki srebra lub złota o grubości od 3 nm do 20 nm. Twórcy wynalazku pokazują, że współczynnik wzmocnienia dla rodaminy 6G jest 35 razy wyższy niż na komercyjnie dostępnej platformie do pomiarów SERS firmy Mesophotonics.

Przedmiotem zgłoszenia międzynarodowego opublikowanego za numerem WO 2008/094089 „Active sensor surface and a method for manufacture thereof” jest platforma do pomiarów SERS zbudowana z nanodrutów lub nanotub o długościach od 0,1 pm do 100 pm i średnicach od 5 nm do 400 nm, pokrytych nanocząstkami srebra o rozmiarach od 0,5 nm do 100 nm. Twórcy wynalazku wskazują jedynie na potencjalne wykorzystanie tej platformy w pomiarach SERS, nie podając konkretnych przykładów.

PL 219 899 B1

Opisywana w niniejszym patencie metoda pozwala na szybkie, tanie i niezwykle proste pokrywanie powierzchni ciał stałych złotymi mikrokwiatami lub złotymi mikrokwiatami i złotymi nanocząstkami, a także kontrolę gęstości pokrycia i morfologii złotych cząstek. Wynalazek pozwala zarówno na otrzymywanie mono - jak i wielowarstw złożonych ze złotych mikrokwiatów. Metoda nie wymaga stosowania skomplikowanych odczynników, rozpuszczalników organicznych i metali ciężkich ani specjalistycznego sprzętu. W celu otrzymania złotych mikrokwiatów nie ma potrzeby stosowania żadnych złotych nanoprekursorów (jest to tzw. seedless method). Jest to ponadto metoda jednoetapowa typu one-pot.

Istnieją opatentowane metody wytwarzania złotych powierzchni, wykorzystujące kwas tetrachlorozłotowy i hydroksyloaminę jako jedne z reagentów.

W zgłoszeniu wynalazku EP 0426300 A1 „Method of producing a reagent containing a narrow distribution of colloidal particles of a selected size and the use thereof” przedstawiono metodę otrzymywania dużych nanocząstek złota. Pierwszy etap metody to przygotowanie roztworu wzrostowego zawierającego chlorek złota i hydroksyloaminę. W mieszaninie tej nie obserwuje się zachodzenia żadnej reakcji. Dopiero etap drugi - dodanie małych złotych nanocząstek, powoduje depozycję złota na ich powierzchni i skutkuje wzrostem ich objętości.

Z kolei z publikacji Hong-Xuan Ren et al., Journal of Colloid and Interface Science 334 (2009) 103-107, pt. ”A cauliflower-like gold structure for superhydrophobicity” znany jest dwuetapowy sposób pokrywania powierzchni z tlenku indowo-cynowego ITO warstwą złota, z użyciem dejonizowanej wody, roztworu kwasu tetrachlorozłotowego, HAuCl4 i hydroksyloaminy w postaci roztworu NH2OH. W pierwszym z etapów, w wyniku zanurzenia w roztworze, otrzymuje się kuliste nanocząstki złota o średnicy wynoszącej około 20-50 nm, natomiast w drugim etapie, elektrochemicznym, w wyniku przyłożonego w układzie napięcia, dochodzi do powiększania powstałych nanostruktur, w wyniku ich agregacji do większych cząstek stanowiących zbite struktury, zwanych „cauliflower-like structures”.

Przedmiotem patentu US 4005229 „Novel method for the rapid deposition of gold films onto non-metalic substrates at ambient temperatures” jest pokrywanie powierzchni niemetalicznych złotem. Pokrywanie zachodzi w wyniku kontaktu danej powierzchni z wodnym roztworem soli złota, czynnika kompleksującego (surfaktantu) oraz hydrazyny lub hydroksyloaminy, które pełnią rolę reduktorów. W ulepszonym wariancie, w procesie wykorzystuje się także jony dwuwartościowych metali ciężkich: rtęci, kadmu lub ołowiu, lub też ich mieszaniny.

Patent US 06183545 „Aqueous solutions for obtaining metals by reductive deposition” dotyczy otrzymywania metalicznych pokryć w obecności dialkilohydroksylo- lub dialkiloaminofosfiny. Metoda dotyczy różnych metali, w tym także złota i zakłada obecność w mieszaninie reakcyjnej jednego z około dwudziestu reduktorów lub ich soli, w tym hydroksyloaminy.

W patencie US 6383269 B1 „Electroless gold plating solution and process” zaprezentowano sposób otrzymywania złotych powłok na substratach zawierających nikiel. Według wynalazku, pokrywaną powierzchnię kontaktuje się z mieszaniną zawierającą rozpuszczalne w wodzie związki złota, elektrolit w postaci soli organicznej a także reduktor, którym może być, między innymi, hydroksyloamina lub jej sól. Proces wymaga ogrzewania mieszaniny przynajmniej do 60°C, natomiast najkorzystniejszy jest zakres temperatur 85-91 °C. Wynalazek nie uwzględnia możliwości tworzenia złotych pokryć na substratach, które nie zawierają niklu.

Autorzy zgłoszenia wynalazku US 2003/0066756 A1 „Plating bath and method for depositing a metal layer on a substrate” prezentują elektrolityczną metodę pokrywania substratów złotem. W skład roztworu stosowanego do kąpieli galwanizacyjnej (plating bath) wchodzi wodny roztwór hydroksyloaminy lub jej pochodnych, a pokrywane są powierzchnie metali.

Kąpiel galwanizacyjna w podobnym składzie prezentowana jest w zgłoszeniu wynalazku US 23150353 A1 „Electroless gold plating solution”. W metodzie tej nie stosuje się procesów elektrodowych - pokrywanie złotem zachodzi na drodze kontaktu substratu z mieszaniną reakcyjną i prowa₂ dzi do osadzenia co najmniej 15 ąg złota na cm powierzchni. Celem sposobu ujawnionego w tym zgłoszeniu jest otrzymanie jednorodnej powłoki złotej, możliwie niskiej porowatości. W skład mieszaniny reakcyjnej, oprócz źródła jonów złota hydroksyloaminy, wchodzą reagenty kompleksujące, stabilizujące, bufory pH i inne. Twórcy wynalazku opisanego w tym zgłoszeniu stwierdzają bez wątpliwości (akapit [0029]), że obecność w roztworze w/w reagentów poza jonami złota i hydroksyloaminą jest warunkiem koniecznym urzeczywistnienia wynalazku i osiągnięcia wyżej wskazanego celu.

Ponadto, zgodnie z ujawnieniem w zgłoszeniu, stosowanie metody jest ograniczone do pokrywania wyłącznie substratów metalicznych.

PL 219 899 B1

Sposób przedstawiony w niniejszym zgłoszeniu polega na zanurzeniu ciała stałego, na przykład krzemowej płytki, w wodnym roztworze zawierającym źródło kationów Au(lll), np. kwas tetrachlorozłotowy HAuCl₄, oraz ich reduktor - hydroksyloaminę, np. w postaci chlorowodorku. Następnie płytkę płucze się w wodzie i, opcjonalnie, rozpuszczalniku organicznym i pozostawia do wyschnięcia.

Należy podkreślić, że żaden z przedstawionych powyżej wynalazków nie zakłada stosowania wyłącznie dwóch reagentów - kwasu tetrachlorozłotowego i chlorowodorku hydroksyloaminy - do nieelektrolitycznego pokrywania powierzchni cząsteczkami złota. W wymienionych metodach nie otrzymuje się ponadto złotych mikro-kwiatów, które charakteryzują się niezwykle rozwiniętą powierzchnią przy relatywnie niewielkiej objętości.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób pokrywania hydrofilowych ciał stałych złotymi strukturami o pofałdowanym lub postrzępionym kształcie i o średnicy większej niż 1 μm, przez jednoetapowe zanurzenie powierzchni wspomnianego ciała stałego w roztworze reakcyjnym zawierającym jony złota i hydroksyloaminę, gdzie wspomniany roztwór reakcyjny składa się z następujących składników:

• wody, • pierwszego składnika, wybranego z grupy złożonej z kwasu tetrachlorozłotowego HAuCl4, soli tego kwasu i ich mieszanin, • drugiego składnika, wybranego z grupy złożonej z hydroksyloaminy, jej soli i ich mieszanin, charakteryzuje się tym, że stężenie drugiego składnika jest nie mniejsze niż 8 mM, korzystnie nie mniejsze niż 25 mM, zaś molowa proporcja pierwszego składnika do drugiego składnika wynosi od 1:8 do 7:8, korzystnie od 1:8 do 3:8.

Aby otrzymać złote mikro-kwiaty o silnie rozwiniętej powierzchni, stosuje się duże nadmiary reduktora (proporcja molowa wspomnianego pierwszego składnika do wspomnianego drugiego składnika zawarta między 1:8 a 3:8). Mniejsze nadmiary reduktora pozwalają na otrzymanie mniej pofałdowanych struktur. Aby otrzymać mikro-kwiaty o średnicy większej niż 1 μm korzystne jest stosowanie stężeń wspomnianego drugiego składnika większych niż 8 mM. Złote mikro-kwiaty są większe dla wyższych stężeń reagentów.

Korzystnie, wspomnianym drugim składnikiem jest chlorowodorek hydroksyloaminy NH2OH x HCI.

Korzystnie, wspomniane ciało stałe jest ciałem stałym dielektrycznym, półprzewodnikowym lub metalicznym.

Korzystnie, roztwór wspomnianego pierwszego składnika dodaje się do roztworu wspomnianego drugiego składnika kroplami, podczas mieszania, otrzymując w ten sposób roztwór reakcyjny, po czym w tak przygotowanym roztworze reakcyjnym umieszcza się powierzchnię pokrywanego ciała stałego.

W jednym z korzystnych przykładów wykonania wynalazku, powierzchnię pokrywanego ciała stałego umieszcza się we wspomnianym roztworze reakcyjnym poziomo.

W jednym z korzystnych przykładów realizacji wynalazku, powierzchnię pokrywanego ciała stałego umieszcza się we wspomnianym roztworze reakcyjnym na czas nie dłuższy niż 10 minut. Pozwala to otrzymać kwiaty zbudowane ze złotych cienkich blaszek („płatki” o krawędziach ostrych zamiast zaokrąglonych).

W innym korzystnym przykładzie realizacji wynalazku, powierzchnię pokrywanego ciała stałego umieszcza się we wspomnianym roztworze reakcyjnym na czas dłuższy niż 30 minut. Pozwala to otrzymać kwiaty zbudowane ze złotych kulek, pałeczek i płytek o wyokrąglonych krawędziach.

W jeszcze bardziej korzystnym przykładzie realizacji wynalazku, powierzchnię pokrywanego ciała stałego umieszcza się we wspomnianym roztworze reakcyjnym na czas dłuższy niż 1 godzina, korzystniej dłuższy niż 24 godziny. Pozwala to uzyskać trwałe złote powłoki.

Korzystnie, aby otrzymać porowaty złoty materiał, zbudowany z wielu warstw złotych mikrokwiatów, we wspomnianym roztworze reakcyjnym stężenie wspomnianego drugiego składnika jest nie mniejsze niż 25 mM oraz nad powierzchnią pokrywanego ciała stałego zapewnia się słup wspomnianego roztworu reakcyjnego o wysokości co najmniej 1 cm.

Korzystnie, etap zanurzenia powierzchni pokrywanego ciała stałego w roztworze reakcyjnym powtarza się.

Korzystnie, powierzchnia pokrywanego ciała stałego jest niepolerowana. Przykładowo , powierzchnię pokrywanego ciała stałego stanowi mechanicznie schropowacony krzem lub mrożone szkło. Stosowanie niepolerowanych powierzchni jest korzystne, aby spowodować wypełnienie przestrzeni między złotymi mikrokwiatami nanocząstkami złota. Chropowacenie powierzchni jest też

PL 219 899 B1 konieczne do zachowania mechanicznej trwałości złotych powłok grubszych niż monowarstwa z mikrokwiatów.

Jeśli zostanie ono zastosowane jako platforma do pomiarów powierzchniowo wzmocnionego efektu Ramana, SERS, pozwala korzystnie osiągnąć współczynnik wzmocnienia, EF, nie mniejszy niż 10⁷, korzystniej nie mniejszy niż 10⁸.

W metodzie według wynalazku reakcję prowadzi się temperaturze pokojowej.

Wynalazek zostanie teraz bliżej przedstawiony w korzystnych przykładach wykonania, z odniesieniem do załączonych rysunków, na których:

Fig. 1. przedstawia zdjęcie SEM pojedynczego złotego nano-kwiatka otrzymanego na powierzchni krzemu zgodnie z przykładem 1;

Fig. 2. przedstawia zdjęcie SEM złotych mikro-kwiatów otrzymanych na powierzchni chropowaconego krzemu zgodnie z przykładem 2;

Fig. 3. przedstawia zdjęcie SEM pojedynczego złotego nano-kwiatka zbudowanego z cienkich blaszek (płatków) otrzymanego na powierzchni krzemu zgodnie z przykładem 3;

Fig. 4. przedstawia zdjęcie SEM powierzchni krzemu pokrytej monowarstwą złotych mikrokwiatów i nanocząstek złota zgodnie z przykładem 4;

Fig. 5. przedstawia zdjęcie SEM porowatego złotego pokrycia powierzchni krzemu, zbudowanego z wielu warstw złotych mikro-kwiatów, otrzymanego zgodnie z przykładem 5;

Fig. 6. przedstawia zdjęcie SEM powierzchni ITO pokrytej mikro-kwiatami otrzymanej zgodnie z przykładem 6;

Fig. 7. przedstawia zdjęcie SEM powierzchni szkła pokrytej mikro-kwiatami otrzymanej zgodnie z przykładem 6;

Fig. 8. przedstawia zdjęcie SEM powierzchni półprzewodnika GaN pokrytej mikro-kwiatami, otrzymanej zgodnie z przykładem 6;

Fig. 9. przedstawia zdjęcie SEM powierzchni folii aluminiowej pokrytej mikro-kwiatami, otrzymanej zgodnie z przykładem 6;

Fig. 10. przedstawia zdjęcia naczyń z mieszaniną reakcyjną oraz zdjęcia płytek pokrytych warstwą mikro-kwiatów. A - mieszanina 15 minut po włożeniu płytki; B - ta sama mieszanina po godzinie; C - przykłady różnych substratów pokrytych nano- i mikro-kwiatami metodą według wynalazku: 1 - krzem przed pokryciem, 2 - płytka typu I (na krzemie), 3 - płytka typu II (na krzemie), 4 - płytka typu I (na szkle mrożonym), 5 - płytka typu II (na szkle mrożonym); ostatnie zdjęcie przedstawia płytkę krzemową (płytka numer C2) oświetloną światłem widzialnym. Jak widać, płytka ta jest pokryta gęstą warstwą metalicznego złota;

Fig. 11. przedstawia widma SERS kwasu p-merkaptobenzoesowego zaadsorbowanego z roztworu 10^-6 M, na powierzchni do pomiarów SERS według wynalazku i rejestrowane w różnych jej punktach (B, C, D, E) oraz samej platformy (A). Widma otrzymano postępując zgodnie z przykładem 9;

Fig. 12. przedstawia, odpowiednio, widma SERS kwasu p-merkaptobenzoesowego zaadsorbowanego z roztworu 10^-6 M, na dwóch różnych powierzchniach do pomiarów SERS według wynalazku (A i B), mierzone w różnych punktach w obrębie każdej platformy. Widma otrzymano postępując zgodnie z przykładem 9;

Fig. 13. przedstawia widma SERS molekuł L-alaniny zaadsorbowanych z ich wodnych roztworów o stężeniach 10^-3 M, 10^-6 M, 10^-9 M na powierzchniach do pomiarów SERS według wynalazku (A, B, C). Widma otrzymano postępując zgodnie z przykładem 11, zaś

Fig. 14. przedstawia widmo SERS bakteriofaga QB1 zaadsorbowanego z roztworu buforowego o stężeniu 10¹¹/ml na powierzchni do pomiarów SERS według wynalazku. Widma otrzymano postępując zgodnie z przykładem 12.

Materiały i odczynniki

Kwas tetrachlorozłotowy oraz chlorowodorek hydroksyloaminy zostały zakupione w Sigma-Aldrich. Stężony kwas siarkowy i 30% nadtlenek wodoru zakupiono w firmie Chempur. Stosowano szkło mrożone oraz szklane podstawowe płytki mikroskopowe Roth, polerowane płytki (ang. wafers) krzemowe firmy Cemat Silicon oraz płytki z tlenku indowo-cynowego (ITO). Powierzchnie szafirowe pokryte azotkiem galu zakupiono w firmie TopGaN. Powierzchnię aluminiową uzyskano pokrywając szklaną płytkę powszechnie dostępną folią aluminiową.

Jako rozpuszczalników do reakcji lub mycia podłóż używano wody destylowanej 15 ΜΩ a także acetonu cz.d.a. i alkoholu metylowego cz.d.a. z firmy Chempur.

PL 219 899 B1

Przygotowanie powierzchni szklanych lub krzemowych do pokrywania złotymi mikrokwiatami polegało na pocięciu danego materiału na mniejsze płytki i kilkuetapowym ich oczyszczeniu. Pierwszym etapem było mycie w wodzie (płytki umieszczono w zlewce z wodą destylowaną i przez dziesięć minut myto w płuczce ultradźwiękowej) a następnie w acetonie (taka sama procedura jak przy myciu wodą). Po osuszeniu powierzchnie pozostawiano na 15 godzin w świeżo przygotowanym tzw. roztworze piranii (jest to mieszanina zawierająca 1 część objętościową 30% nadtlenku wodoru i cztery części stężonego kwasu siarkowego). Po wyjęciu płytek z piranii, trzykrotnie myto je wodą, po czym płukano metanolem i pozostawiano do wyschnięcia.

Przygotowanie powierzchni z ITO lub szafiru pokrytego azotkiem galu polegało na umyciu ich w wodzie i acetonie i pozostawieniu do wyschnięcia.

Jeśli do eksperymentu była zastosowana powierzchnia chropowata, z krzemu, szkła lub ITO chropowacono ją papierem ściernym typu P600, a następnie cięto na fragmenty i myto według opisanej powyżej procedury.

Otrzymane powierzchnie były charakteryzowane przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej (field emission scanning electron microscopy, FE-SEM) na aparacie Auriga firmy Carl Zeiss.

Zdjęcia mieszaniny reakcyjnej oraz produktów reakcji przedstawia Fig. 10.

Metoda pomiaru widm SERS

Widma SERS były rejestrowane przy pomocy konfokalnego mikrospektrometru ramanowskiego o wysokiej zdolności rozdzielczej, typu InVia (Ranishaw). Długość fali światła wzbudzającego użytego w pomiarach wynosiła 632,5 nm. Analiza energii wiązki rozproszonej odbywa się w spektrometrze przy pomocy siatki dyfrakcyjnej, a intensywność dla poszczególnych energii rejestrowana jest w czułym detektorze CCD. Powiększenie obiektywu ogniskującego promień lasera na próbce wynosiło 50x. -1

Przestrzenna zdolność rozdzielcza była lepsza niż 1 ąm, spektralna zdolność rozdzielcza około 1 cm^- . Moc lasera stosowanego do pomiarów wynosiła od 1 mW do 3 mW dla pomiarów SERS i 150 mW w przypadku rejestracji normalnych widm Ramana. Widma rejestrowane były z czasem akumulacji od do 40 sekund.

Współczynnik wzmocnienia - (ang. Enhancement Factor; EF) określa stosunek integralnych intensywności (intensywności w maksimum) wniesionych przez molekuły zaadsorbowane na powierzchni i molekuły będące w roztworze i definiuje się wyrażeniem:

EF= (ISERS/IRaman)/(NSERS/NRaman); gdzie:

ISERS - zmierzona intensywność integralna pasma w widmie SERS molekuł zaadsorbowanych na powierzchni,

IRaman - zmierzona intensywność integralna pasma w widmie Ramana molekuł w roztworze,

NRaman - określa liczbę molekuł w roztworze „oświetlonych” światłem lasera w celu otrzymania widma Ramana,

NSERS - określa liczę zaadsorbowanych molekuł „oświetlonych” światłem lasera w celu otrzymania widma SERS.

NRaman - określono korzystając z wyrażenia:

^Nraman ^{- N}A ^x C ^x Df ^x gdzie:

NA - liczba Avogadro, 6,02 x 10²³,

C - molowe stężenie roztworu, ₂

D_f - głębokość ogniskowania; D_f = 2λ/ΝΑ , gdzie dla linii 785 nm NA, czyli apertura obiektywu, wynosi 0.55 dając Df = 5 ąm, πΓ - geometryczny przekrój czynny molekuł,

NSERS - zostało oszacowane na podstawie powierzchniowego pokrycia, z założeniem, że molekuły adsorbują się na powierzchni tworząc monowarstwę, i rozmiaru powierzchni oświetlonej przez laser.

NSERS = Nm x A gdzie:

Nm- liczba molekuł znajdujących się w roztworze macierzystym, użytym do adsorpcji;

A - powierzchnia oświetlona przez laser, gdzie A = π x S, przy czym S oznacza rozmiar plamki ₂ lasera, który dla stosowanej w pomiarach linii 785 i powiększenia obiektywu 50 x wynosi 1 ąm².

Powtarzalność w obrębie jednej platformy - oznacza powtarzalność widm SERS rejestrowanych na tej platformie w różnych jej punktach (zgodność pod względem intensywności i położenia pasm w widmach SERS rejestrowanych w tych samych warunkach pomiaru). Parametr ten został wyznaczony w następujący sposób: Wyznaczono całki z pola różnicy pomiędzy dwoma porównywanymi

PL 219 899 B1 widmami zarejestrowanymi na tej samej platformie ale w różnych jej punktach. Za powtarzalne widma (100% zgodność) uznano te, dla których całki z pola różnicy nie różnią się o więcej niż 3%.

Powtarzalność w obrębie różnych platform - oznacza powtarzalność widm SERS rejestrowanych na różnych platformach (zgodność pod względem intensywności i położenia pasm w widmach SERS rejestrowanych w tych samych warunkach pomiaru). Parametr ten został wyznaczony w następujący sposób: Wyznaczono całki z pola różnicy pomiędzy dwoma porównywanymi widmami zarejestrowanymi na różnych platformach. Za powtarzalne widma (100% zgodność) uznano te, dla których całki z pola różnicy nie różnią się o więcej niż 3%.

Przykłady realizacji wynalazku

P r z y k ł a d 1. Otrzymywanie złotych mikro-kwiatów na powierzchni krzemu

Do wodnego roztworu chlorowodorku hydroksyloaminy (2 ml, 8,0 mM) dodano kroplami, podczas mieszania na worteksie, wodny roztwór kwasu tetrachlorozłotowego (1,2 ml, 5,0 mM). Po około 10 sekundach energicznego mieszania, do mieszaniny reakcyjnej wstawiono krzemową płytkę (uprzednio przygotowaną według przedstawionej wyżej procedury). Po dobie płytkę wyjęto z mieszaniny reakcyjnej, delikatnie opłukano w wodzie destylowanej i metanolu i pozostawiono do wyschnięcia. Zdjęcie SEM pojedynczego nano-kwiatka przestawia Fig. 1.

P r z y k ł a d 2. Otrzymywanie złotych mikro-kwiatów i złotych nanocząstek na powierzchni chropowaconego krzemu

Postępowano tak jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że do gotowej mieszaniny reakcyjnej włożono chropowacony krzem. Zdjęcie fragmentu otrzymanej powierzchni z mikro-kwiatkami przedstawia Fig. 2.

P r z y k ł a d 3. Otrzymywanie mikro-kwiatów zbudowanych ze złotych blaszek

Postępowano tak jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że czas osadzania złotych mikrokwiatów na powierzchni skrócono do dziesięciu minut. Zdjęcie SEM pojedynczego nano-kwiatka otrzymanego na powierzchni przedstawia Fig. 3.

P r z y k ł a d 4. Otrzymywanie powierzchni pokrytych monowarstwą złotych mikro-kwiatów i nanocząstek złota

Do wodnego roztworu chlorowodorku hydroksyloaminy (1 ml, 40,0 mM) dodano 1,6 ml wody a następnie kroplami, podczas mieszania na worteksie, wodny roztwór kwasu tetrachlorozłotowego (0,6 ml, 25,0 mM). Po około 10 sekundach energicznego mieszania, do mieszaniny reakcyjnej wstawiono pokrywaną powierzchnię. Po dobie płytkę wyjęto z mieszaniny reakcyjnej, delikatnie opłukano w wodzie destylowanej i metanolu i pozostawiono do wyschnięcia. Zdjęcie SEM fragmentu powierzchni pokrytej monowarstwą złotych mikro-kwiatów i nanocząstek złota przedstawia Fig. 4.

P r z y k ł a d 5. Otrzymywanie porowatego złotego materiału, zbudowanego z wielu warstw złotych mikro-kwiatów

Do wodnego roztworu chlorowodorku hydroksyloaminy (2 ml, 40,0 mM) dodano kroplami, podczas mieszania na worteksie, wodny roztwór kwasu tetrachlorozłotowego (1,2 ml, 25,0 mM). Po około 10 sekundach energicznego mieszania, do mieszaniny reakcyjnej wstawiono pokrywana powierzchnię. Po dobie płytkę wyjęto z mieszaniny reakcyjnej, delikatnie opłukano w wodzie destylowanej i metanolu i pozostawiono do wyschnięcia. Zdjęcie SEM fragmentu powierzchni krzemu pokrytej rozbudowaną, porowatą powierzchnią zbudowaną z wielu warstw złotych mikro-kwiatów przedstawia Fig. 5.

Korzystne jest również zanurzanie gotowej, pokrytej powierzchni w kolejnej mieszaninie reakcyjnej. Jeśli stosuje się taki wariant kilku powtórzeń, nie ma potrzeby stosowania tak stężonych roztworów reagentów. Jak to podano w niniejszym przykładzie.

P r z y k ł a d 6. Otrzymywanie złotych mikro-kwiatów na powierzchniach niekrzemowych

Postępowano tak Jak w przykładzie 1, z tą różnicą, że do gotowych mieszanin reakcyjnych wkładano niekrzemowe powierzchnie. Były to oczyszczone płytki ze szkła mrożonego, szkła mikroskopowego chropowaconego papierem ściernym, ITO, ITO chropowaconego papierem ściernym, z szafiru pokrytego azotkiem galu, z aluminium. Zdjęcia SEM mikro-kwiatków otrzymanych na powierzchniach ITO, szkle, GaN i aluminium przedstawiają, odpowiednio. Fig. 6, 7, 8 i 9.

P r z y k ł a d 7. Przygotowanie powierzchni do SERS (typ I)

Postępowano tak jak w przykładzie 4. Otrzymaną tym sposobem płytkę oczyszczono z hydroksyloaminy poprzez traktowanie jej przez 5 minut plazmą tlenową. Oczyszczoną płytkę umieszczano na 24 godziny w roztworze analitu o określonym stężeniu. Po wyjęciu z roztworu powierzchnia z zaadsorbowanym analitem gotowa była do SERS.

PL 219 899 B1

P r z y k ł a d 8. Przygotowanie powierzchni do SERS (typ II)

Postępowano tak jak w przykładzie 5. Otrzymaną tym sposobem płytkę oczyszczono z hydroksyloaminy poprzez traktowanie jej przez 5 minut plazmą tlenową. Oczyszczoną płytkę umieszczano na 24 godziny w roztworze analitu o określonym stężeniu. Po wyjęciu z roztworu powierzchnia z zaadsorbowanym analitem gotowa była do SERS.

P r z y k ł a d 9. Widma SERS kwasu p-merkaptobenzoesowego

Powierzchnię SERS typu I zanurzono do roztworu kwasu p-merkaptobenzoesowego o stężeniu 10^-6 M. Następnie platformę wysuszono i zarejestrowano 30 widm ramanowskich z rożnych punktów powierzchni. Fig. 11 przedstawia cztery wybrane losowo widma zaadsorbowanego na powierzchni SERS kwasu p-merkaptobenzoesowego (B, C, D, E) oraz widmo samej platformy (A). Widma rejestrowano w czasie 10 s, stosując linię wzbudzającą 632,5 nm o mocy 2,5 mW.

W korzystnym przykładzie, widma zarejestrowane w różnych punktach platformy są identyczne.

Pojawiają się w nich silne pasma przy częstościach: 1080 i 1590 cm^-1 których względne intensywności w każdym z zarejestrowanych widm są praktycznie takie same.

W kolejnych eksperymentach sprawdzano powtarzalność rejestrowanych widm SERS w obrębie różnych platform otrzymanych tą samą metodą. Rejestrowano widma kwasu p-merkaptobenzoesowego zaadsorbowanego na 10 kolejnych powierzchniach typu I. Fig. 12 przedstawia wyniki uzyskane dla wybranych losowo dwóch platform A i B wytworzonych metodą według wynalazku.

Dodatkowo, oszacowano współczynnik wzmocnienia EF dla zaadsorbowanego na powierzchni SERS kwasu p-merkaptobenzoesowego używając wyrażenia:

EF= (ISERS/IRaman)/(NSERS/NRaman) gdzie:

ISERS i IRaman są zmierzonymi intensywnościami integralnymi pasm w widmach molekuł kwasu p-merkaptobenzoesowego zaadsorbowanych na powierzchni SERS (ISERS) oraz w roztworze molekuł kwasu p-merkaptobenzoesowego o stężeniu 10^-6 M (IRaman);

NSERS i NRaman określają liczbę zaadsorbowanych molekuł kwasu p-merkaptobenzoesowego „oświetlonych” światłem lasera w celu otrzymania odpowiednio widma SERS i widma Ramana.

ISERS i IRaman były mierzone dla pasma o częstości 1180 cm^-1. NSERS zostało oszacowane na 14 2 podstawie powierzchniowego pokrycia kwasu p-merkaptobenzoesowego (1 x 10¹⁴ molekuł/cm²) [B. Pettinger, B. Ren, G. Picardi, R. Schuster, G. Ertl, J. Raman Spectrosc. Volume 36 Issue 6-7, Pages 541 - 550]. Natomiast NRaman oznacza liczbę molekuł kwasu p-merkaptobenzoesowego w badanym roztworze obliczoną według definicji podanych wyżej.

W korzystnym przykładzie realizacji powierzchni SERS według wynalazku, oszacowany współczynnik wzmocnienia (EF) dla kwasu p-merkaptobenzoesowego wynosi 1,2 x 10⁸ i jest o cztery rzędy wielkości większy niż współczynnik wzmocnienia oszacowany na komercyjnie dostępnym podłożu SERS.

Korzystnie częstości i względne intensywności pasm kwasu p-merkaptobenzoesowego są powtarzalne w obrębie czterech różnych powierzchni do pomiarów SERS uzyskanych tą samą metodą wg wynalazku (Fig. 11). Powtarzalność częstości i względnych intensywności pasm jest większa od 70% w obrębie czterech platform B, C, D i E (Fig. 11) wytworzonych zgodnie z wynalazkiem.

P r z y k ł a d 10. Widma SERS kwasu p-merkaptobenzoesowego

W innym korzystnym przykładzie realizacji wynalazku sprawdzono powtarzalność otrzymanych widm w obrębie tej samej powierzchni i dwóch różnych powierzchni. Długość światła wzbudzającego użytego w pomiarach wynosiła 632,5 nm, moc lasera na próbce wynosiła 3 mW a czas akumulacji widma wynosił około 10 s.

Korzystnie widma molekuł kwasu p-merkaptobenzoesowego zaadsorbowanych na powierzchni do pomiarów SERS z ich wodnego roztworu o stężeniu 10^-6 M i zarejestrowane z różnych punktów powierzchni są powtarzalne. Względne intensywności pasm charakterystycznych dla kwasu p-merka-1 ptobenzoesowego pojawiające się przy częstościach 840, 1080 i 1589 cm^-1 są powtarzalne w 70% dla wszystkich zarejestrowanych widm.

P r z y k ł a d 11. Widma SERS L-alaniny

W kolejnym korzystnym przykładzie realizacji wynalazku sprawdzono czułość otrzymanych powierzchni SERS. Na powierzchni typu I zaadsorbowano molekuły L-alaniny z roztworów o stężeniach: 10^-3 M, 10^-6 M i 10^-9 M (Fig. 13). Długość światła wzbudzającego użytego w pomiarach wynosiła 632,5 nm, moc lasera na próbce wynosiła 3 mW a czas akumulacji widma wynosił około 10 s.

Korzystnie, powierzchnia do pomiarów SERS daje silne wzmocnienie widma SERS molekuł L-alaniny zaadsorbowanych na z ich wodnego roztworu o stężeniu nawet 10^-9.

PL 219 899 B1

P r z y k ł a d 12. Widma SERS bakteriofagów

W innym korzystnym przykładzie realizacji, na platformę SERS typu II naniesiono 2 mikrolitry bakteriofagów QBeta z roztworu w buforowego o stężeniu około 10¹¹/ml i po wysuszeniu powierzchni zarejestrowano widma SERS (Fig. 14). Widma rejestrowano stosując linię wzbudzającą o długości 632,5 nm, moc lasera wynosiła 10 mW, a czas akumulacji widma 5 minut (Fig. 14). Otrzymane wyniki wskazują, że uzyskana według wynalazku powierzchnia SERS Jest użyteczna do badań biologicznych i medycznych.

Claims

1. Sposób pokrywania hydrofilowych ciał stałych złotymi strukturami o pofałdowanym lub postrzępionym kształcie i o średnicy większej niż 1 pm, przez jednoetapowe zanurzenie powierzchni wspomnianego ciała stałego w roztworze reakcyjnym zawierającym jony złota i hydroksyloaminę, gdzie wspomniany roztwór reakcyjny składa się z następujących składników:

• wody, • pierwszego składnika, wybranego z grupy złożonej z kwasu tetrachlorozłotowego

HAuCl4, soli tego kwasu i ich mieszanin, • drugiego składnika, wybranego z grupy złożonej z hydroksyloaminy, jej soli i ich mieszanin, znamienny tym, że stężenie drugiego składnika jest nie mniejsze niż 8 mM, korzystnie nie mniejsze niż 25 mM, zaś molowa proporcja pierwszego składnika do drugiego składnika wynosi od 1:8 do 7:8, korzystnie od 1:8 do 3:8.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wspomnianym drugim składnikiem jest chlorowodorek hydroksyloaminy NH2OH x HCI.

3. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 1 do 2, znamienny tym, że wspomniane ciało stałe jest ciałem stałym dielektrycznym, półprzewodnikowym lub metalicznym.

4. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 1 do 3, znamienny tym, że roztwór wspomnianego pierwszego składnika dodaje się do roztworu wspomnianego drugiego składnika kroplami, podczas mieszania, otrzymując w ten sposób roztwór reakcyjny, po czym w tak przygotowanym roztworze reakcyjnym umieszcza się powierzchnię pokrywanego ciała stałego.

5. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 1 do 4, znamienny tym, że powierzchnię pokrywanego ciała stałego umieszcza się we wspomnianym roztworze reakcyjnym poziomo.

6. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 1 do 5, znamienny tym, że powierzchnię pokrywanego ciała stałego umieszcza się we wspomnianym roztworze reakcyjnym na czas nie dłuższy niż 10 minut.

7. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 1 do 6, znamienny tym, że powierzchnię pokrywanego ciała stałego umieszcza się we wspomnianym roztworze reakcyjnym na czas dłuższy niż 30 minut.

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że powierzchnię pokrywanego ciała stałego umieszcza się we wspomnianym roztworze reakcyjnym na czas dłuższy niż 1 godzina, korzystniej dłuższy niż 24 godziny.

9. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 1 do 8, znamienny tym, że we wspomnianym roztworze reakcyjnym stężenie wspomnianego drugiego składnika jest nie mniejsze niż 25 mM oraz nad powierzchnią pokrywanego ciała stałego zapewnia się słup wspomnianego roztworu reakcyjnego o wysokości co najmniej 1 cm.

10. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 1 do 9, znamienny tym, że etap zanurzenia powierzchni pokrywanego ciała stałego w roztworze reakcyjnym powtarza się.

11. Sposób według dowolnego z poprzedzających zastrzeżeń od 1 do 10, znamienny tym, że powierzchnia pokrywanego ciała stałego jest niepolerowana.

12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że powierzchnię pokrywanego ciała stałego stanowi mechanicznie schropowacony krzem.

13. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że powierzchnię pokrywanego ciała stałego stanowi mrożone szkło.