zhpsЖурнал прикладной спектроскопииZhurnal Prikladnoii Spektroskopii0514-7506B. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Scienceszhps-1719Research ArticleАННОТАЦИИ АНГЛОЯЗЫЧНЫХ СТАТЕЙABSTRACTS ENGLISH-LANGUAGE ARTICLESГКР-активные субстраты на основе нанозвезд серебра для высокочувствительного обнаружения красителя малахитового зеленогоSERS substrates for ultrasensitive detection of malachite green using silver nanostarsSalehH. M.SalehH. M.

Каир

Cairo

El-BrolossyT.El-BrolossyT.

Каир

Cairo

SharafT.SharafT.

Каир

Cairo

tamer_sharaf@sci.asu.edu.egTalaatH.TalaatH.

Каир

Cairo

Университет Айн-ШамсPhysics Department, Faculty of Science, Ain Shams University202418112024916913913Copyright © Saleh H., El-Brolossy T., Sharaf T., Talaat H., 20242024Saleh H., El-Brolossy T., Sharaf T., Talaat H.Saleh H., El-Brolossy T., Sharaf T., Talaat H.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://zhps.ejournal.by/jour/article/view/1719

Предложены способы обнаружения следов красителя малахитового зеленого (MG) с использованием спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света (SERS), основанной на поверхностно-локализованном плазмонном резонансе в наночастицах серебра. Проведено сравнение SERSсубстратов на основе различных морфологий нанозвезд серебра (AgNS) в виде коллоидных растворов и после осаждения частиц на твердую подложку для чувствительного обнаружения MG, исключенного из списка разрешенных веществ для пищевой промышленности Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США из-за выявленных рисков возникновения рака. Анализ результатов просвечивающей электронной микроскопии (TEM) и спектров УФ-видимого диапазона различных форм AgNS выявил отдельные пики плазмонного резонанса, на которые влияют морфология и окружающая среда. Моделирование с помощью метода конечных разностей во временной области (FDTD) подчеркивает влияние размера ядра и количества ответвлений на локальные электрические поля, демонстрируя формирование “горячих” точек вдоль поверхности AgNS. Окружающая среда также значительно влияет на интенсивность электрического поля. Исследования SERS показывают, что жидкие субстраты превосходят твердые аналоги, достигая предела обнаружения LOD = 37 аМ для MG. Результаты проанализированы с точки зрения их согласованности  с FDTD-моделированием и заметными изменениями факторов усиления, наблюдаемых среди различных конфигураций твердых субстратов. Показана высокая воспроизводимость КР-сигналов с помощью жидких субстратов и улучшена плохая воспроизводимость КР-сигналов твердотельными субстратами путем модификации их поверхности. 

Food additives, crucial for enhancing food quality, have raised concerns regarding their potential carcinogenicity, particularly in substances like malachite green (MG), previously removed from the United States Food and Drug Administration approved list due to identified cancer risks. This investigation delves into the nuanced domain of trace detection employing surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), leveraging the localized plasmon of silver nanoparticle substrates. The research involves a comprehensive comparison between solid and liquid-based SERS substrates. It utilizes diverse morphologies of silver nanostars (AgNSs) for sensitively detecting MG, substances of considerable interest in the food industry despite their acknowledged carcinogenic properties. A comprehensive characterization of diverse AgNS shapes, including TEM analysis and UV-Vis spectra, reveals distinct plasmon resonance peaks influenced by morphology and the surrounding medium. Finite-difference time-domain (FDTD) simulations underscore the influence of core size and arm number on local electric fields, generating robust hot spots along the edges. The surrounding medium also significantly influenced electric field intensity. SERS examinations reveal liquidbased substrates outperforming their solid counterparts, achieving a remarkable limit of detection (LOD) of 37 aM for MG. These findings were extensively examined in light of their consistency with FDTD simulations and the noticeable variations in enhancement factors observed among different configurations of solid substrates. Simultaneously, the study explores the high reproducibility of liquid-based substrates and endeavors to improve the poor reproducibility of the Raman signal by modifying the surface of solid-based substrates.

малахитовый зеленыйметод конечных разностей во временной областинанозвезды серебраспектроскопия гигантского комбинационного рассеянияКР-картированиеmalachite greenfinite-difference time-domainsilver nanostarssurface-enhanced Raman spectroscopyRaman mappingThis project is based on work supported by the Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) under Grant No. 46200.ReferencesN. M. Bastide, F. H. Pierre, D. E. Corpet, Cancer Prev. Res., 4, 177–184 (2011).N. M. Bastide, F. H. Pierre, D. E. Corpet, Cancer Prev. Res., 4, 177–184 (2011).F. Belpoggi, M. Soffritti, E. Tibaldi, L. Falcioni, L. Bua, F. Trabucco, Ann. New York Acad. Sci., 1076, 736–752 (2006).F. Belpoggi, M. Soffritti, E. Tibaldi, L. Falcioni, L. Bua, F. Trabucco, Ann. New York Acad. Sci., 1076, 736–752 (2006).P. Pressman, R. Clemens, W. Hayes, C. Reddy, Toxic. Res. Appl., 1, 1–22 (2017).P. Pressman, R. Clemens, W. Hayes, C. Reddy, Toxic. Res. Appl., 1, 1–22 (2017).F. Gultekin, S. Yasar, N. Gurbuz, B. M. Ceyhan, J. Nutr. Health Food Sci., 3, 1–6 (2015).F. Gultekin, S. Yasar, N. Gurbuz, B. M. Ceyhan, J. Nutr. Health Food Sci., 3, 1–6 (2015).Y.-L. Chu, D. Chimeddulam, L.-Y. Sheen, K.-Y.Wu, Food Chem. Toxic., 62, 770–776 (2013).Y.-L. Chu, D. Chimeddulam, L.-Y. Sheen, K.-Y.Wu, Food Chem. Toxic., 62, 770–776 (2013).J. Jiang, Q. Shen, P. Xue, H. Qi, Y. Wu, Y. Teng, Y. Zhang, Y. Liu, X. Zhao, X. Liu, Chem. Select., 5, 354–359 (2020).J. Jiang, Q. Shen, P. Xue, H. Qi, Y. Wu, Y. Teng, Y. Zhang, Y. Liu, X. Zhao, X. Liu, Chem. Select., 5, 354–359 (2020).M. Heleyel, S. Elhami, J. Sci. Food Agric., 99, 1919–1925 (2019).M. Heleyel, S. Elhami, J. Sci. Food Agric., 99, 1919–1925 (2019).P. Kumar, R. Khosla, M. Soni, D. Deva, S. K. Sharma, Sens. Actuators, B, 246, 477–486 (2017).P. Kumar, R. Khosla, M. Soni, D. Deva, S. K. Sharma, Sens. Actuators, B, 246, 477–486 (2017).T. T. K. Chi, N. T. Le, B. T. T. Hien, D. Q. Trung, N. Q. Liem, Commun. Phys., 26, 261–268 (2016).T. T. K. Chi, N. T. Le, B. T. T. Hien, D. Q. Trung, N. Q. Liem, Commun. Phys., 26, 261–268 (2016).T. Y. Jeon, D. J. Kim, S.-G. Park, S.-H. Kim, D.-H. Kim, Nano Convergence, 3, 1–20 (2016).T. Y. Jeon, D. J. Kim, S.-G. Park, S.-H. Kim, D.-H. Kim, Nano Convergence, 3, 1–20 (2016).R. Aroca, R. Alvarez-Puebla, N. Pieczonka, S. Sanchez-Cortez, J. Garcia-Ramos, Adv. Colloid Interface Sci., 116, 45–61 (2005).R. Aroca, R. Alvarez-Puebla, N. Pieczonka, S. Sanchez-Cortez, J. Garcia-Ramos, Adv. Colloid Interface Sci., 116, 45–61 (2005).J.-E. Park, Y. Jung, M. Kim, J.-M. Nam, ACS Central Sci., 4, 1303–1314 (2018).J.-E. Park, Y. Jung, M. Kim, J.-M. Nam, ACS Central Sci., 4, 1303–1314 (2018).P. A. Mosier-Boss, Nanomaterials, 7, 142 (2017).P. A. Mosier-Boss, Nanomaterials, 7, 142 (2017).X. Zou, H. Zhang, T. Chen, H. Li, C. Meng, Y. Xia, J. Guo, Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp., 567, 184–192 (2019).X. Zou, H. Zhang, T. Chen, H. Li, C. Meng, Y. Xia, J. Guo, Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp., 567, 184–192 (2019).A. Verma, R. Soni, J. Phys. D: Appl. Phys., 54, 475107 (2021).A. Verma, R. Soni, J. Phys. D: Appl. Phys., 54, 475107 (2021).H. Zhou, X. Li, L. Wang, Y. Liang, A. Jialading, Z. Wang, J. Zhang, Rev. Anal. Chem., 40, 173–186 (2021).H. Zhou, X. Li, L. Wang, Y. Liang, A. Jialading, Z. Wang, J. Zhang, Rev. Anal. Chem., 40, 173–186 (2021).Y. Liu, Z. Lu, X. Lin, H. Zhu, W. Hasi, M. Zhang, X. Zhao, X. Lou, RSC Adv., 6, 58387–58393 (2016).Y. Liu, Z. Lu, X. Lin, H. Zhu, W. Hasi, M. Zhang, X. Zhao, X. Lou, RSC Adv., 6, 58387–58393 (2016).P. A. Mercadal, E. R. Encina, E. A. Coronado, J. Phys. Chem. C, 123, 23577–23585 (2019).P. A. Mercadal, E. R. Encina, E. A. Coronado, J. Phys. Chem. C, 123, 23577–23585 (2019).A. C. McGinnis, B. S. Cummings, M. G. Bartlett, Analyt. Chim. Acta, 799, 57–67 (2013).A. C. McGinnis, B. S. Cummings, M. G. Bartlett, Analyt. Chim. Acta, 799, 57–67 (2013).X. Xu, L. Zhao, Q. Xue, J. Fan, Q. Hu, C. Tang, H. Shi, B. Hu, J. Tian, Anal. Chem., 91, 7973–7979 (2019).X. Xu, L. Zhao, Q. Xue, J. Fan, Q. Hu, C. Tang, H. Shi, B. Hu, J. Tian, Anal. Chem., 91, 7973–7979 (2019).M.-T. Liu, L.-X. Chen, D.-N. Li, A.-J. Wang, Q.-L. Zhang, J.-J. Feng, J. Colloid Interface Sci., 508, 551–558 (2017).M.-T. Liu, L.-X. Chen, D.-N. Li, A.-J. Wang, Q.-L. Zhang, J.-J. Feng, J. Colloid Interface Sci., 508, 551–558 (2017).B. Kann, H. L. Offerhaus, M. Windbergs, C. Otto, Adv. Drug Delivery Rev., 89, 71–90 (2015).B. Kann, H. L. Offerhaus, M. Windbergs, C. Otto, Adv. Drug Delivery Rev., 89, 71–90 (2015).S. Schlücker, Angew. Chem., Int. Ed., 53, 4756–4795 (2014).S. Schlücker, Angew. Chem., Int. Ed., 53, 4756–4795 (2014).M. P. Letertre, P. Giraudeau, P. De Tullio, Front. Mol. Biosci., 8, 698337 (2021).M. P. Letertre, P. Giraudeau, P. De Tullio, Front. Mol. Biosci., 8, 698337 (2021).A. Garcia-Leis, J. V. Garcia-Ramos, S. Sanchez-Cortes, J. Phys. Chem. C, 117, 7791–7795 (2013).A. Garcia-Leis, J. V. Garcia-Ramos, S. Sanchez-Cortes, J. Phys. Chem. C, 117, 7791–7795 (2013).K. M. Mayer, J. H. Hafner, Chem. Rev., 111, 3828–3857 (2011).K. M. Mayer, J. H. Hafner, Chem. Rev., 111, 3828–3857 (2011).S. Kaabipour, S. Hemmati, Beilstein J. Nanotechnol., 12, 102–136 (2021).S. Kaabipour, S. Hemmati, Beilstein J. Nanotechnol., 12, 102–136 (2021).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.