Thermal inkjet technology for the deposition of nanoparticles and Metal-organic framework (Mof): Preparation of sers-active substrates and Mof films for In-situ enhanced raman and infrared detection of harmful contaminants

Abstract

The applications of thermal ink-jet printing technology as deposition technique of functional materials such as metal nanoparticles and microporous nickel-oxalate metal organic framework were studied. Highly sensitive surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) substrates capable of detecting a few hundred of molecules were prepared by depositing silver nanoparticles. The silver films were prepared by printing silver nanoparticles (Ag-NP) suspension over quartz substrates. Substrates were characterized by UV-Vis spectroscopy and the morphological evolution of the films was monitored by atomic force microscopy. Inhomogeneous coverage of Ag nanoparticles were obtained at only one deposition while a more uniform distribution of Ag NP were shown when number of depositions increased. The nanoparticles tend to grow forming agglomerates of a few thousand nanometers in size when more layers are deposited. SERS performance of the prepared SERS substrates was evaluated using p-aminobenzenethiol (PABT) as probe molecule reaching an estimated enhancement factor of 9.0 x1012. A novel and extremely low-cost surface-enhanced Raman spectroscopy substrate fabricated depositing gold nanoparticles on common lab filter paper using thermal inkjet technology is also reported. The paper-based substrate combines all advantages of other plasmonic structures fabricated by more elaborate techniques with the flexibility given by the inherent nature of the paper for efficient sample collection, robustness and stability. In this work the fabrication, characterization, and SERS activity of our substrate using 2,4,6-trinitrotoluene, 2,4- dinitrotoluene and 1,3,5-trinitrobenzene as analytes is described. The paper-based SERS substrates presented a high sensitivity and excellent reproducibility for analytes employed, demonstrating a direct application in forensic science and homeland security. The preparation of microporous nickel-oxalate metal organic framework (MOF), and its posterior deposition by ink-jet printing over a glass plate as an alternative for applications in gas sensing is also described. The synthesized MOF was characterized by XRD, TGA, IR and Raman spectroscopy, finding that this crystallizes in the space group P2/m. The prepared MOF film has the capacity to absorb small gaseous molecules such as NO2, a characteristic that can be exploited for gas sensing.

La aplicación de la tecnología de impresión por chorro de tinta como una técnica para la deposición de materiaels funcionales tales como nanopartículas metálicas y enrejados metalorgánicos (MOF) de nickel-oxalato microporoso fue estudiado. Un sustrato altamente sensitivo para espectroscopía Raman con aumento de señal por superficies (SERS) con la capacidad para detectar unos pocos cientos de moléculas, fue preparado depositando nanopartículas de plata. Las películas depositadas de plata fueron preparadas imprimiendo una suspensión de nanopartículas sobre sustratos de cuarzo. Estos sustratos fueron caracterizados por espectroscopía de ultravioleta-visible, y la evolución morfológica de estas películas fue monitoreada usando microscopía de fuerza atómica (AFM). A solo una deposición se observó una cobertura no homogénea de nanopartículas de plata, mientras que cuando el número de deposiciones fue aumentando se observó una distribución más uniforme. Las nanoparticulas tienden a crecer formando aglomerados de unos pocos cientos de nanómetros en tamaño cuando más capas son depositadas. La actividad SERS de los sustratos preparados fueron evaluados usando paminobencenotiol (PABT) como molécula prueba, alcanzando un aumento en la señal estimado en 9.0 x1012. También, se reporta un sustrato SERS novedoso y extremadamente de bajo costo fabricado depositando nanopartículas de oro sobre un papel de filtro común para laboratorio, usando la tecnología de impresión por chorro de tinta. El sustrato soportado sobre papel combina todas las ventajas de otras estructuras plasmónicas fabricadas por técnicas más elaboradas con la flexibilidad dada por la naturaleza inherente del papel para una eficiente recolección de la muestra, robustez y estabilidad. En este trabajo, se describe la fabricación, caracterización y actividad SERS de estos sustratos usando como analito 2,4,6-trinitrotolueno, 2,4-dinitrotolueno and 1,3,5-trinitrobenceno. El sustrato SERS basado en papel presentó una alta sensitividad y una excelente reproducibilidad para los analitos empleados, demostrando una aplicación directa en ciencias forenses y seguridad nacional. También, se describe la preparación de un enrejado metal orgánico de niquel-oxalato microporoso y su posterior deposición a través de impresión por chorro de tinta sobre un soporte de vidrío, como una alternativa para aplicaciones en sensores de gases. El MOF sintetizado fue caracterizado por difractometría de rayos X, TGA, y espectroscopía IR y Raman, encontrándose que este cristaliza en el gupo espacial P2/m. La película de MOF preparada tiene la capacidad para adsorber pequeñas moléculas gaseosas como NO2, una característica que puede ser explotada para su uso como sensores de gases.