Detection of trace amount analytes is essential for the inspection of environmental contaminants in water systems. Various chromatographic and spectroscopic methods have been used for detecting pollutants, but surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) stands out for the obtainment of molecular-specific signals through rapid and non-destructive processes. Diverse nanostructures and fabrication methods have been reported for detection up to attomolar concentration. Yet, trace-amount detection remains problematic because the delivery of sufficient amounts of analytes to the proximity of “hot spots” is required for sufficient enhancement effects. That is, a lack of molecules near a given dense region of “hot spots” may hinder the identification of weak Raman signals within spectra of low signal-to-noise ratios. Therefore, a platform that gathers analytes dispersed over a large area to a specific target region is in need to obtain signals from a greater number of molecules near the same group of “hot spots.” Here, we introduce an area-selective hydrophobicity-modified SERS substrate for focusing analyte molecules towards a small-area hydrophilic pinning point during evaporation of water-based solvents. An Ag nanowire (AgNW) substrate of cross-stacked parallel arrays of sub-20 nm spaced nanowires is functionalized with 1H,1H,2H,2H-perfluorodecanethiol for increased hydrophobicity while the substrate center is coated with SiO$_2$ for hydrophilicity. Raman measurements at the hydrophilic center show peaks of molecules at extremely low concentrations that are difficult to detect on bare AgNW substrates with up to ten-fold increase in peak intensities.
수질 오염의 분석을 위한 미량 검출 검사법은 필수적이다. 색층 및 분광 분석 등 여러 검출 방법이 사용되어왔지만 전문성이 요구되고 과정이 길어 번거롭다는 단점이 있다. 표면 증강 라만 산란(SERS)은 분석물의 고유 신호를 빠른 시간 내에 습득 및 분석이 가능하여 대체 분석 방법으로 떠오르고 있다. 다양한 구조체와 공정 기술의 개발로 극미량 검출까지 시현되었으나, “hot spot” 밀집 구역에 충분한 양의 분석물이 모여 있지 않으면 신호가 작아 스펙트럼 노이즈 사이에서 구별이 어렵거나 분석물 분포가 일정하지 않아 레이저 노출 구역에 분석물 부재로 신호 습득이 어려울 수 있다. 때문에 큰 영역에 퍼져 있는 분석물을 “hot spot”이 밀집된 특정 선택 구역에 모을 수 있는 분석 플랫폼이 요구된다. 본 연구에서는 선택적으로 SERS 기판 영역의 소수성을 변화시켜 물 용액 속 분석물이 소수성 표면으로 둘러 쌓인 친수성 영역으로 모이게 하여 SERS의 신호 증폭을 극대화한다. 은 나노선 기반 플라스모닉 기판에 1H,1H,2H,2H-perfluorodecanethiol을 부착하여 소수성을 향상시키고 기판 중간은 SiO$_2$로 코팅하여 친수성 변화를 유도하였다. 친수성 영역에서 라만 신호를 측정했을 때 미량 물질의 신호 강도를 최대 10배까지 증폭하여 기능화 되지 않은 기판에서 측정이 어려운 신호를 습득하였다.
