Forscher der Shanghai Jiao Tong University (SJTU) haben ein hochempfindliches und wiederverwendbares Mikrofluidiksystem mit oberflächenverstärkter Raman-Spektroskopie (SERS) entwickelt, das eine Nachweisgrenze von weniger als 10 ppt (parts per trillion) schädlicher Substanzen erreicht hat.
Die Arbeit, gemeldet im Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturingkönnte die Anwendungsmöglichkeiten der hochempfindlichen, effektiven und kostengünstigen mikrofluidischen Detektion in der biomedizinischen Diagnostik, der Umweltüberwachung und der Lebensmittelsicherheit erweitern.
Die Integration plasmonischer Nanopartikel in Mikrofluidik-Chips mit hoher Genauigkeit und Stabilität ist die Grundlage für hochempfindliche und wiederverwendbare Sensoren.
„Die Montage gut konzipierter Nanopartikel in Mikrokanälen ist ein kritisches Problem“, sagte Dr. Yongxiang Hu, Erstautor des Artikels und Professor an der Fakultät für Maschinenbau der SJTU.
„In den meisten Forschungsarbeiten wird das SERS-aktive Substrat im Voraus separat hergestellt und dann in Mikrofluidchips integriert, was mit einer geringen Fertigungseffizienz und hohen Kosten verbunden ist. Wir müssen eine schnelle und kostengünstige Technik finden. Hier sagen wir: Warum implantieren wir Nanopartikel nicht direkt in den Mikrokanal?“
In den letzten Jahren wurde die direkte Femtosekundenlaserstrukturierung zur Entwicklung vieler hochempfindlicher mikrofluidischer SERS-Systeme eingesetzt, die verschiedene flexible Herstellungsverfahren für SERS-aktive Schnittstellen bieten.
Nanopartikel können in Mikrokanälen für die SERS-Erkennung mit einer Auflösung von nur 10-10 mol/L durch laserinduzierte Photoreduktion synthetisiert werden. Laserreduzierte Nanopartikel neigen jedoch bei Kontakt mit Luft zur Oxidation, was ihre Lebensdauer beeinträchtigt. Darüber hinaus ist es schwierig, die lasergefertigten Strukturen einheitlich zu steuern, was die Verbesserung der Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit einschränkt.
Mithilfe der fs-LIFT-Technologie (Femtosekundenlaser-induzierter Vorwärtstransfer) implantierten die Forscher die Nanopartikel in ein quadratisches Gitter mit einem gleichmäßigen Abstand von etwa 400 nm und erreichten dabei eine mittlere Abweichung von nur 3 %. Eine bemerkenswerte Verstärkung des elektromagnetischen Felds führte zu einer Nachweisgrenze von weniger als 10-11 mol/L. Darüber hinaus weist das hergestellte Array aufgrund der robusten Einbettung der mit fs-LIFT implantierten Nanopartikel nach mehreren physikalischen und chemischen Reinigungen eine hervorragende Wiederverwendbarkeit auf.
Dank der hohen Stabilität und Empfindlichkeit nutzten die Forscher diese Methode, um ein SERS-Mikrofluidsystem herzustellen und die Online-Oxidationsreaktion zu überwachen, was ihnen dabei half, auf den Reaktionsverlauf zu schließen.
Die Forscher setzen ihre Arbeit fort und hoffen, die Empfindlichkeit durch Reduzierung der Partikelgröße und des Anordnungsabstands weiter zu verbessern. Sie gehen davon aus, dass die Technologie in Zukunft in der biomedizinischen Erkennung für Krankheitsscreening und Diagnoseanwendungen eingesetzt werden wird.
Weitere Informationen:
Yongxiang Hu et al., Femtosekundenlaser-induzierte Nanopartikelimplantation in flexibles Substrat für empfindliche und wiederverwendbare mikrofluidische SERS-Erkennung, Internationale Zeitschrift für Extreme Manufacturing (2024). DOI: 10.1088/2631-7990/ad48e9
Zur Verfügung gestellt vom International Journal of Extreme Manufacturing