Study of highly sensitive and reproducible paper-based SERS sensors for detection of trace pesticides

Abstract

미량의 농약 검출을 위한 효율적인 방법 중에 하나로 각광받는 필터 페이퍼 기반의 표면 증강 라만 산란 (SERS) 센서는 지난 십수년간 연구되어 왔다. 그러나 필터 페이퍼의 친수성 성질에 의해 용액들은 종이 표면에 고정되지 않고 빠르게 종이 내부로 흡수되게 될 뿐만 아니라 종이를 구성하는 셀룰로오스 섬유의 구조적, 크기적 다양성에 의해 많은 수의 공극과 높은 종이 표면 단차를 보여주고 있다. 이러한 종이의 특성으로 인해 낮은 종이 기반의 SERS 센서의 감도와 재현성이 나타났다. 또한 분자와 금속 사이의 결합력 차이에 의해 일부의 분자만 검출이 가능하며 다양한 분자를 검출할 수 있는 범용적 센서로는 사용이 어려웠다. 본 연구에서는 이러한 기존의 종이의 특성에 의해 발생하는 단점을 극복하고 고감도, 고재현성의 SERS 신호를 내는 필터 페이퍼 기반 SERS 센서를 개발하였다. 우선 필터 페이퍼 기반의 SERS 센서의 감도를 높이기 위하여 알킬케텐다이머를 (AKD) 종이에 처리하여 필터 페이퍼의 친수성 성질을 소수성으로 개질하였다. 또한 소수성 처리된 필터 페이퍼 표면에 셀룰로오스 나노섬유를 (CNF) 도입하여 종이 표면의 단차 및 공극을 줄여 필터 페이퍼 기반 SERS 센서의 표면의 균일성을 증가시켰다. 이를 기반으로 필터 페이퍼 기반의 SERS 센서의 재현성을 높이고자 하였다. 마지막으로 기존에 검출이 어려웠던 극성 유기 분자의 검출이 가능한 필터 페이퍼 기반의 SERS 센서를 개발하기 위해 서로 다른 전하를 가지는 나노입자를 도입하여 전하 선택적 검출이 가능한 필터 페이퍼 기반의 SERS 센서를 제작하였고 이를 통해 SERS 기반의 분자 검출의 보편성을 확장하고자 하였다. 그렇기에 본 연구는 크게 소수성 처리를 통한 고감도 필터 페이퍼 기반 SERS 센서 제작, 셀룰로오스 나노섬유의 도입을 이용한 고재현성을 나타내는 필터 페이퍼 기반 SERS 센서 제작, 마지막으로 극성 유기 분자 검출을 위한 전하 선택적 검출을 도입한 필터 페이퍼 기반 SERS 센서를 제작 및 적용 이렇게 세 파트로 구성되어 있다. 챕터 1에서는 소수성으로 개질된 필터 페이퍼의 개발에 대해서 다루고 있다. 기존의 종이 기반의 SERS 센서는 친수성의 성질로 인해 용액이 종이 내부로 빠르게 흡수되어 종이 표면에 나노입자가 거의 존재하지 않았으며 또한 분석 물질이 나노입자와 결합하기에 시간이 충분치 않아 낮은 SERS 신호 민감도와 재현성을 나타냈다. 이를 개선하기 위해 종이에 AKD 처리를 통해 소수성 성질을 나타내도록 하였다. 소수성 개질을 통해 종이 표면에서 수용액의 접촉각과 유지 시간이 증가하였으며, 증가된 접촉각으로 인해 용액의 접촉 면적이 감소하였다. 이로 인해 종이 표면에 은 나노입자 (AgNP) 의 밀도가 증가하게 되어 수많은 SERS hot-spot 을 형성하였고, 이로 인해 SERS 신호의 급격하게 증가하였다. 또한 AgNP 용액의 농도를 조절하여 필터 페이퍼 위의 AgNP 분포를 조절하였으며, 이를 통해 SERS 신호의 민감도와 재현성을 최적화 하였다. 이를 통해 개발한 종이 기반의 SERS 센서는 6.19%의 SERS 신호의 표준 편차를 나타냈으며 thiram 과 ferbam 이 각각 0.461 nM 과 0.491 nM 의 검출 한계를 나타냄을 확인하였다. 이 결과를 통해 종이의 소수성 처리를 통해 저렴하고 쉬운 방법으로 미량의 농약을 높은 재현성으로 검출 할 수 있는 필터 페이퍼 기반의 SERS 센서를 개발 할 수 있음을 확인하였다. 챕터 2에서는 CNF 코팅 도입을 통해 종이 표면의 단차 및 공극을 줄여 종이 기반의 SERS 센서의 신호 재현성을 증가시키는 것에 대해 다루고 있다. 많은 수의 공극과 높은 표면 단차에 의해 종이 표면은 불균일한 특성을 나타내며 이로 인해 기존의 종이 기반의 SERS 센서는 낮은 SERS 신호 재현성을 나타내고 있다. 이를 극복하기 위해 CNF 코팅을 도입하여 종이 표면의 공극을 채우고 표면 단차를 줄이고자 하였다. 두 번의 CNF 코팅의 도입에 따라 필터 페이퍼의 표면에서의 AgNP 커버리지가 87% 에서 95% 까지 증가됨을 확인하였으며, CNF 코팅 도입에 따른 종이 표면의 표면 단차 감소 및 공극의 수 감소로 인해 AgNP 가 균일하게 도입됨을 FE-SEM 이미지 분석을 통해 확인할 수 있었다. 이를 통해 두 번의 CNF 코팅을 필터 페이퍼에 도입함에 따라 SERS 신호의 상대 표준 편차는 28%에서 9%로 감소하였으며 4-ATP 의 검출 한계는 3.782 nM 에서 0.426 nM 로 감소하는 것을 확인하였다. CNF 코팅 도입에 따른 표면 균일성 증가는 SERS 신호 재현성 뿐만 아니라 신호 민감도 까지 증가시킴을 확인하였고 이는 종이 기반의 SERS 센서의 신호 재현성의 증가에 기본 연구가 될 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 챕터 3 에서는 극성 유기 분자를 검출 할 수 있는 전하 선택적 종이 기반의 SERS 센서 개발에 대해서 다루고 있다. 분자에 있는 작용기에 따라 분자와 금속은 서로 다른 친화도를 나타내며, 이로 인해 기존의 종이 기반의 SERS 센서는 특정한 분자만 검출 가능하였다. 이를 극복하고 SERS 기반의 분자 검출의 보편성을 확대시키기 위해 본 연구에서는 전하 선택적 검출이 가능한 종이 기반의 SERS 센서를 제작하였다. 이를 위해 서로 다른 전하를 가지는 AgNP를 필터 페이퍼에 도입하여 전하 선택적 종이 기반의 SERS 센서를 개발하였다. 기존의 AgNP은 시트르산 이온에 의해 음전하를 나타내며, 이러한 AgNP 표면에 양전하를 띄는 고분자인 poly(allyldimethylammonium chloride) (PDDA)을 도입한 AgNP@PDDA를 개발하여 양전하를 나타내는 나노 입자를 개발하였다. 서로 다른 전하를 나타내는 AgNP와 AgNP@PDDA를 종이 표면에 도입하여 전하 선택적 검출이 가능한 종이 기반의 SERS 센서를 개발하였다. AgNP에 PDDA 고분자가 도입됨을 UV/Vis 스펙트럼, 제타 전위 변화 및 고해상도 투과 전자 현미경을 이미지 변화를 통해 확인하였다. 제작한 센서의 전하 선택적 검출의 적용 가능성을 확인하기 위해 전하를 띄는 라만 염료를 각각의 센서에 적용하였으며 AgNP 가 처리된 센서에서는 양전하를 띈 라만 염료가, AgNP@PDDA 가 처리된 센서에서는 음전하를 띈 라만 염료가 검출됨을 확인하였고, 이는 나노 입자와 전하를 띄는 분자 사이에 작용하는 정전기적 인력에 의해서 나타남을 확인하였다. 이를 통해 개발된 전하 선택적 종이 기반의 SERS 센서의 전하 선택적 분자 검출 적용 가능성을 확인하였고, 극성 유기 분자의 검출 확인을 위해 아닐린과 벤조산 유도체를 도입하였다. 각각의 극성 유기 분자는 AgNP 및 AgNP@PDDA 센서에서 분리 검출됨을 확인되었으며, 아닐린과 벤조산이 수십 마이크로 몰 농도의 수준까지 검출됨을 확인하였다. 또한 10% 이하의 상대 표준 편차를 나타냄을 확인하였으며 이를 통해 개발한 전하 선택적 종이 기반의 SERS 센서를 이용하여 기존의 검출이 어려웠던 분자를 고감도, 고재현성 검출이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 제시한 종이 기반의 SERS 센서 개발은 종이 기반의 SERS 센서의 기초 연구로서 다른 연구의 길잡이가 될 수 있을 것이라 생각한다.

As a cost-effective approach for detecting trace amounts of pesticides, paper-based surface-enhanced Raman scattering (SERS) sensors have been the subject of intensive research. However, one of the hurdles to overcome is the difficulty of retaining nanoparticles on the paper surface due to the hydrophilic nature of the cellulose fibers in paper. Furthermore, another hurdle is high surface roughness and non-uniformity of the paper surface due to the size variation and conformation of cellulose fibrils in paper. These hurdles reduce the sensitivity and reproducibility of paper-based SERS sensors due to the low density of nanoparticles, short retention time of analytes and non-uniform surface by many pores and high surface roughness on the paper surface. Furthermore, conventional SERS sensors have difficulty to use as universal SERS sensors due to difference of binding affinities between molecules and metal nanoparticle depending on functional groups of molecules. In this study, a highly sensitive and reproducible filter paper-based SERS sensor was developed. To increase the sensitivity and reproducibility of the sensor, the hydrophilic nature of the filter paper was modified to become hydrophobic one by using alkyl ketene dimer (AKD) treatment. In addition, cellulose nanofibril (CNF) coating was applied to the hydrophobic filter paper to increase the uniformity of the paper surface by filling pores and reducing the surface roughness of the filter paper. Finally, using CNF coated hydrophobic filter paper, a charge-selective paper-based SERS sensor was developed to detect polar organic pollutants for expanding the generality of SERS based molecular detection. Thus, this thesis contains three chapters that focus on: fabricating a highly sensitive and reproducible filter paper-based SERS sensor by hydrophobic modification, developing a uniform surface for the filter paper-based SERS sensor for highly reproducible SERS detection by introducing CNF coating, and applying the developed paper-based SERS sensor for fabricating of a charge-selective SERS detection to expand the generality of SERS based molecular detection. Chapter I describes the fabrication of hydrophobically modified filter paper to increase sensitivity and reproducibility of paper-based SERS sensor. Conventional paper-based SERS sensors quickly absorb nanoparticle and analyte solutions because of their hydrophilic nature. In addition, the short retention time of the analyte solution on the paper surface provides insufficient time for the analyte to bond on the surface of the nanoparticle. Thus, conventional paper-based SERS sensors show low sensitivities and reproducibilities. To overcome disadvantages of conventional paper-based SERS sensor, the surface of filter paper was modified hydrophobically by introducing AKD on filter paper. By introducing AKD on filter paper, the retention time of the silver nanoparticle (AgNP) and analyte solutions on the paper surface was increased because the AKD treatment changed hydrophilic nature of filter paper to hydrophobic one. The AKD treatment increased the contact angle of the aqueous AgNP solution, which consequently increased the density of AgNP on the paper-based SERS sensor within reduced contact area. In addition, the retention time of the aqueous solution was increased by preventing its rapid absorption into the filter paper, and the AgNP solution was dried on the paper surface without absoprtion to the filter paper. As a result, because the increased density of AgNP on a small contact area on hydrophobic filter paper, the number of increased SERS hot-spots, and strongly enhanced the SERS signal. The sensitivity and reproducibility of the SERS signal were optimized by controlling the distribution of AgNP on the surface of the filter paper, which was achieved by adjusting the concentration of the AgNP solution. The spot-to-spot variation of the SERS intensities of 4-aminothiophenol (4-ATP) at 25 AgNP spots on hydrophobic filter paper-based SERS sensor was approximately 6.2% of relative standard deviation (RSD), and the limits of detections (LODs) of thiram and ferbam were 0.461 and 0.491 nM, respectively. These proof-of-concept results indicate that this low-cost and easily fabricated paper-based SERS sensor can provide highly sensitive pesticide detection. Chapter II describes reducing the surface roughness and pores of the filter paper-based SERS sensor using CNF coating for highly reproducible SERS detection. Because of non-uniform filter paper surface originated from the large number of pores and high surface roughness, conventional paper-based SERS were difficult to measure uniform SERS signals, resulting in low reproducibility. To overcome the low reproducibility of paper-based SERS sensors, CNF coating was introduced on the surface of filter paper to fill the pores and to flatten the surface of filter paper. Double CNF coatings on the surface of the hydrophobic filter paper increased the coverage of AgNP on the paper surface from 87 to 95%. Furthermore, the AgNP were uniformly introduced onto the surface of the filter paper by reduced surface roughness and the number of pores on the paper surface were redcued, as confirmed using field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). Applying double CNF coatings on hydrophobic filter paper-based SERS sensor reduced the RSD of the SERS intensity from 28 to 9% and the LOD of 4-ATP from 3.782 to 0.426 nM. These CNF surface modifications on paper-based SERS sensor provided a base to fabricate a highly reproducible paper-based SERS sensor. Chapter III describes the development of a paper-based SERS sensor for detecting polar organic pollutants to expand the generality of SERS based molecular detection. Conventional paper-based SERS sensors are difficult to use as universal SERS sensors because the functional group in molecule have different affinity toward the metal. To expand the generality of paper-based SERS sensor, a charge-selective paper-based SERS sensor was developed by modifying the surface charge of AgNP. The citrate ion capped AgNP were exhibited negative surface charge due to negative charged citrate ion and attracted positively charged molecule by electrostatic attraction. However, it was hard to detect negatively charged molecule by electrostatic repulsion. To detect negatively charged molecules, the positively surface charged AgNP was fabricated by modifying the surface charge of AgNP by applying poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) on AgNP surface. The PDDA encapsulated AgNP (AgNP@PDDA) exhibited positive surface charge, and attracted negatively charged molecule. The introduction of PDDA on AgNP was confirmed by zeta-potential change and high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) images. Charged Raman dyes were applied to the charge-selective paper-based SERS sensor to verify its feasibility. By using charge-selective paper-based SERS sensor, positively charged Raman dyes were successfully detected using the AgNP spots, and negatively charged Raman dyes were successfully detected using the PDDA encapsulated AgNP (AgNP@PDDA) spots by electrostatic attraction.. To expand its applicability for field test, polar organic pollutants (e.g., aniline and benzoic acid derivatives) were detected using the charge-selective paper-based SERS sensor. Aniline and benzoic acid derivatives were detected by AgNP and AgNP@PDDA spots, respectively. Furthermore, aniline and benzoic acid were detected at low concentration of tens of micromolar concentration with a less than 10% RSDs. Thus, the developed charge-selective paper-based SERS sensor could expand the generality of SERS based molecular detection with a high sensitivity and reproducibility by modifying the surface charge of the AgNP.