Ultrasnelle lasergeablateerde nanodeeltjes en nanostructuren voor op het oppervlak verbeterde Raman-verstrooiingsgebaseerde detectietoepassingen
Summary
Ultrasnelle laserablatie in vloeistof is een nauwkeurige en veelzijdige techniek voor het synthetiseren van nanomaterialen (nanodeeltjes [NP’s] en nanostructuren [NS’s]) in vloeistof/luchtomgevingen. De laser-geablateerde nanomaterialen kunnen worden gefunctionaliseerd met Raman-actieve moleculen om het Raman-signaal van analyten die op of in de buurt van de NS’s/NP’s worden geplaatst te versterken.
Abstract
De techniek van ultrasnelle laserablatie in vloeistoffen is de afgelopen tien jaar geëvolueerd en volwassen geworden, met verschillende op handen zijnde toepassingen op verschillende gebieden, zoals detectie, katalyse en geneeskunde. Het uitzonderlijke van deze techniek is de vorming van nanodeeltjes (colloïden) en nanostructuren (vaste stoffen) in een enkel experiment met ultrakorte laserpulsen. We hebben de afgelopen jaren aan deze techniek gewerkt en de mogelijkheden ervan onderzocht met behulp van de oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiingstechniek (SERS) in detectietoepassingen voor gevaarlijke stoffen. Ultrasnelle lasergeablateerde substraten (vaste stoffen en colloïden) kunnen verschillende analytmoleculen detecteren op sporenniveau/mengselvorm, waaronder kleurstoffen, explosieven, pesticiden en biomoleculen. Hier presenteren we enkele van de resultaten die zijn bereikt met behulp van de doelen van Ag, Au, Ag-Au en Si. We hebben de verkregen nanostructuren (NS’s) en nanodeeltjes (NP’s) (in vloeistoffen en lucht) geoptimaliseerd met behulp van verschillende pulsduur, golflengten, energieën, pulsvormen en schrijfgeometrieën. Zo werden verschillende NS’s en NP’s getest op hun efficiëntie bij het detecteren van talrijke analytmoleculen met behulp van een eenvoudige, draagbare Raman-spectrometer. Deze methodologie maakt, eenmaal geoptimaliseerd, de weg vrij voor detectietoepassingen op het veld. We bespreken de protocollen in (a) het synthetiseren van de NP’s/NS’s via laserablatie, (b) karakterisering van NP’s/NS’s, en (c) hun gebruik in de SERS-gebaseerde detectiestudies.
Introduction
Ultrasnelle laserablatie is een snel evoluerend gebied van laser-materiaalinteracties. Laserpulsen met hoge intensiteit met pulsduur in het bereik van femtoseconde (fs) tot picoseconde (ps) worden gebruikt om nauwkeurige materiaalablatie te genereren. Vergeleken met nanoseconde (ns) laserpulsen, kunnen ps-laserpulsen materialen met een hogere precisie en nauwkeurigheid ablateren vanwege hun kortere pulsduur. Ze kunnen minder nevenschade, puin en verontreiniging van het geablateerde materiaal veroorzaken vanwege minder thermische effecten. ps-lasers zijn echter doorgaans duurder dan ns-lasers en vereisen gespecialiseerde expertise voor bediening en onderhoud. De ultrasnelle laserpulsen maken een nauwkeurige controle over de energieafzetting mogelijk, wat leidt tot zeer gelokaliseerde en geminimaliseerde thermische schade aan het omringende materiaal. Bovendien kan ultrasnelle laserablatie leiden tot het genereren van unieke nanomaterialen (d.w.z. oppervlakteactieve stoffen/afdekmiddelen zijn niet verplicht tijdens de productie van nanomaterialen). Daarom kunnen we dit een groene synthese/fabricagemethode 1,2,3 noemen. De mechanismen van ultrasnelle laserablatie zijn ingewikkeld. De techniek omvat verschillende fysische processen, zoals (a) elektronische excitatie, (b) ionisatie en (c) het genereren van een dicht plasma, wat resulteert in het uitwerpen van materiaal van het oppervlak4. Laserablatie is een eenvoudig proces in één stap om nanodeeltjes (NP’s) te produceren met een hoog rendement, een smalle grootteverdeling en nanostructuren (NS’s). Naser et al.5 voerden een gedetailleerd overzicht uit van de factoren die van invloed zijn op de synthese en productie van NP’s door middel van de laserablatiemethode. De beoordeling omvatte verschillende aspecten, zoals de parameters van een laserpuls, focusomstandigheden en het ablatiemedium. De review besprak ook hun impact op het produceren van een breed scala aan NP’s met behulp van de laserablatie in vloeistof (LAL)-methode. De laser-geablateerde nanomaterialen zijn veelbelovende materialen, met toepassingen op verschillende gebieden zoals katalyse, elektronica, detectie, en biomedische, watersplitsende toepassingen 6,7,8,9,10,11,12,13,14.
Surface-enhanced Raman-verstrooiing (SERS) is een krachtige analytische detectietechniek die het Raman-signaal van sonde/analytmoleculen die aan metalen NS’s/NP’s zijn geadsorbeerd, aanzienlijk verbetert. SERS is gebaseerd op de excitatie van oppervlakteplasmonresonanties in metallische NP’s/NS’s, wat resulteert in een significante toename van het lokale elektromagnetische veld in de buurt van de metallische nanokenmerken. Dit versterkte veld interageert met de moleculen die aan het oppervlak worden geadsorbeerd, waardoor het Raman-signaal aanzienlijk wordt versterkt. Deze techniek is gebruikt om verschillende analyten te detecteren, waaronder kleurstoffen, explosieven, pesticiden, eiwitten, DNA en medicijnen15,16,17. In de afgelopen jaren is aanzienlijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van SERS-substraten, waaronder het gebruik van verschillend gevormde metalen NP’s 18,19 (nanostaafjes, nanosterren en nanodraden), hybride NS’s20,21 (een combinatie van het metaal met andere materialen zoals Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafeen 26, MOS227, Fe 28, enz.), evenals flexibele substraten29,30 (papier, doek, nanovezel, enz.). De ontwikkeling van deze nieuwe strategieën in de substraten heeft nieuwe mogelijkheden geopend voor het gebruik van SERS in verschillende real-time toepassingen.
Dit protocol bespreekt de fabricage van Ag NP’s met behulp van een ps-laser op verschillende golflengten en Ag-Au-legering NP’s (met verschillende verhoudingen van Ag- en Au-doelen) vervaardigd met behulp van laserablatietechniek in gedestilleerd water. Bovendien worden silicium micro/nanostructuren gemaakt met behulp van een fs-laser op silicium in de lucht. Deze NP’s en NS’s worden gekarakteriseerd met behulp van ultraviolette (UV)-zichtbare absorptie, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), röntgendiffractie (XRD) en veldemissie-scanning-elektronenmicroscopie (FESEM). Verder wordt de bereiding van SERS-substraten en analytmoleculen besproken, gevolgd door het verzamelen van Raman- en SERS-spectra van de analytmoleculen. Data-analyse wordt uitgevoerd om de verbeteringsfactor, gevoeligheid en reproduceerbaarheid van de lasergeablateerde NP’s/NS’s als potentiële sensoren te bepalen. Daarnaast worden typische SERS-studies besproken en worden de SERS-prestaties van hybride substraten geëvalueerd. In het bijzonder is gebleken dat de SERS-gevoeligheid van de veelbelovende gouden nanosterren ongeveer 21 keer kan worden verbeterd door lasergestructureerd silicium te gebruiken in plaats van gewone oppervlakken (zoals Si/glas) als basis.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bij ultrasoonreiniging wordt het te reinigen materiaal ondergedompeld in een vloeistof en worden met behulp van een ultrasoon reinigingsmiddel hoogfrequente geluidsgolven op de vloeistof aangebracht. De geluidsgolven veroorzaken de vorming en implosie van kleine belletjes in de vloeistof, waardoor intense lokale energie en druk worden gegenereerd die vuil en andere verontreinigingen losmaken en verwijderen van het oppervlak van het materiaal. Bij laserablatie werden een Brewster-polarisator en een halfgolfplaatcombinatie…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We danken de Universiteit van Hyderabad voor de steun via het Institute of Eminence (IoE) project UOH/IOE/RC1/RC1-2016. De IoE-subsidie is verkregen vide kennisgeving F11/9/2019-U3(A) van de MHRD, India. DRDO, India wordt erkend voor het financieren van steun via ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. We erkennen de School of Physics, UoH, voor de FESEM-karakterisering en XRD-faciliteiten. We willen onze oprechte dank betuigen aan Prof SVS Nageswara Rao en zijn groep voor hun waardevolle samenwerking, bijdragen en steun. We willen onze waardering uitspreken voor vroegere en huidige laboratoriumleden Dr. P Gopala Krishna, Dr. Hamad Syed, Dr. Chandu Byram, Dhr. S Sampath Kumar, Mevr. Ch Bindu Madhuri, Mevr. Reshma Beeram, Dhr. A Mangababu en Dhr. K Ravi Kumar voor hun onschatbare steun en hulp tijdens en na de laserablatie-experimenten in het laboratorium. We erkennen de succesvolle samenwerking van Dr. Prabhat Kumar Dwivedi, IIT Kanpur.
Materials
| Alloys | Local goldsmith | N/A | 99% pure |
| Axicon | Thorlabs | N/A | 100, IR range, AR coated, AX1210-B |
| Ethanol | Supelco, India | CAS No. 64-17-5 | |
| Femtosecond laser | femtosecond (fs) laser amplifier Libra HE, Coherent | N/A | Pulse duraction 50 fs; wavelenngth 800 nm; Rep rate 1 KHz; Pulse Energy: 4 mJ |
| FESEM | Carl ZEISS, Ultra 55 | N/A | |
| Gatan DM3 | www.gatan.com | Gatan Microscopy Suite 3.x | |
| Gold target | Sigma-Aldrich, India | 99% pure | |
| HAuCl4.3H2O | Sigma-Aldrich, India | CAS No. 16961-25-4 | |
| High resolution translational stages | Newport SPECTRA PHYSICS GMBI | N/A | M-443 High-Performance Low-Profile Ball Bearing Linear Stage; The stage is only 1 inch high, and has 2 inches of travel. |
| Micro Raman | Horiba LabRAM | N/A | Grating-1,800 and 600 grooves/mm; Wavelength of excitation-785 nm,632 nm, 532 nm, 325 nm; Objectives 10x, 20x, 50 x, 100x; CCD detector |
| Mirrors | Edmund Optics | N/A | Suitable mirrors for specific wavelength of laser |
| Motion controller | NEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBI | N/A | ESP300 Controller-3 axes control |
| Origin | www.originlab.com | Origin 2018 | |
| Picosecond laser | EKSPLA 2251 | N/A | Pulse duraction 30ps; wavelenngth 1064 nm, 532 nm, 355 nm; Rep rate 10 Hz; Pulse Energy: 1.5 to 30 mJ |
| Planoconvex lens | N/A | focal length 10 cm | |
| Raman portable | i-Raman plus, B&W Tek, USA | N/A | 785 nm, ~ 100 µm laser spot fiber optic probe excitation and collection |
| Silicon wafer | Macwin India Ltd. | 1–10 Ω-cm, p (100)-type | |
| Silver salt (AgNO3) | Finar, India | CAS No. 7783-90-6 | |
| Silver target | Sigma-Aldrich, India | CAS NO 7440-22-4 | 99% pure |
| TEM | Tecnai TEM | N/A | |
| TEM grids | Sigma-Aldrich, India | TEM-CF200CU | Copper Grid Carbon Coated 200 mesh |
| Thiram | Sigma-Aldrich, India | CAS No. 137-26-8 | |
| UV | Jasco V-670 | N/A | |
| XRD | Bruker D8 advance | N/A |
References
- Theerthagiri, J., et al. Fundamentals and comprehensive insights on pulsed laser synthesis of advanced materials for diverse photo-and electrocatalytic applications. Light: Science & Applications. 11 (1), 250 (2022).
- Byram, C., et al. Review of ultrafast laser ablation for sensing and photonic applications. Journal of Optics. 25, 043001 (2023).
- Barcikowski, S., et al. . Handbook of laser synthesis of colloids. , (2016).
- Pariz, I., Goel, S., Nguyen, D. T., Buckeridge, J., Zhou, X. A critical review of the developments in molecular dynamics simulations to study femtosecond laser ablation. Materials Today: Proceedings. 64 (3), 1339-1348 (2022).
- Naser, H., et al. The role of laser ablation technique parameters in synthesis of nanoparticles from different target types. Journal of Nanoparticle Research. 21, 249 (2019).
- Zhang, D., Wada, H. Laser ablation in liquids for nanomaterial synthesis and applications. Handbook of Laser Micro-and Nano-Engineering. , 1-35 (2020).
- Yang, G. W. Laser ablation in liquids: Applications in the synthesis of nanocrystals. Progress in Materials Science. 52 (4), 648-698 (2007).
- Yu, J., et al. Extremely sensitive SERS sensors based on a femtosecond laser-fabricated superhydrophobic/-philic microporous platform. ACS Applied Materials & Interfaces. 14 (38), 43877-43885 (2022).
- Obilor, A. F., Pacella, M., Wilson, A., Silberschmidt, V. V. Micro-texturing of polymer surfaces using lasers: A review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 120 (1-2), 103-135 (2022).
- Beeram, R., Soma, V. R. Ultra-trace detection of diverse analyte molecules using femtosecond laser structured Ag-Au alloy substrates and SERRS. Optical Materials. 137, 113615 (2023).
- Yu, Y., Lee, S. J., Theerthagiri, J., Lee, Y., Choi, M. Y. Architecting the AuPt alloys for hydrazine oxidation as an anolyte in fuel cell: Comparative analysis of hydrazine splitting and water splitting for energy-saving H2 generation. Applied Catalysis B: Environmental. 316, 121603 (2022).
- Yu, Y., et al. Integrated technique of pulsed laser irradiation and sonochemical processes for the production of highly surface-active NiPd spheres. Chemical Engineering Journal. 411, 128486 (2021).
- Yu, Y., et al. Reconciling of experimental and theoretical insights on the electroactive behavior of C/Ni nanoparticles with AuPt alloys for hydrogen evolution efficiency and non-enzymatic sensor. Chemical Engineering Journal. 435, 134790 (2022).
- Shreyanka, S. N., Theerthagiri, J., Lee, S. J., Yu, Y., Choi, M. Y. Multiscale design of 3D metal-organic frameworks (M−BTC, M: Cu, Co, Ni) via PLAL enabling bifunctional electrocatalysts for robust overall water splitting. Chemical Engineering Journal. 446, 137045 (2022).
- Atta, S., Vo-Dinh, T. Ultra-trace SERS detection of cocaine and heroin using bimetallic gold-silver nanostars (BGNS-Ag). Analytica Chimica Acta. 1251, 340956 (2023).
- Mandal, P., Tewari, B. S. Progress in surface enhanced Raman scattering molecular sensing: A review. Surfaces and Interfaces. 28, 101655 (2022).
- Anh, N. H., et al. Gold nanoparticle-based optical nanosensors for food and health safety monitoring: recent advances and future perspectives. RSC Advances. 12 (18), 10950-10988 (2022).
- Zhao, Z., et al. Core-shell structured gold nanorods on thread-embroidered fabric-based microfluidic device for ex situ detection of glucose and lactate in sweat. Sensors and Actuators B: Chemical. 353, 131154 (2022).
- Chung, T., Lee, S. -. H. Quantitative study of plasmonic gold nanostar geometry toward optimal SERS detection. Plasmonics. 17 (5), 2113-2121 (2022).
- Mangababu, A., et al. Gold nanoparticles decorated GaAs periodic surface nanostructures for trace detection of RDX and tetryl. Surfaces and Interfaces. 36, 102563 (2023).
- Kang, H. -. S., et al. High-index facets and multidimensional hotspots in Au-decorated 24-faceted PbS for ultrasensitive and recyclable SERS substrates. Journal of Materials Chemistry C. 10 (3), 958-968 (2022).
- Chirumamilla, A., et al. Lithography-free fabrication of scalable 3D nanopillars as ultrasensitive SERS substrates. Applied Materials Today. 31, 101763 (2023).
- Meyer, S. M., Murphy, C. J. Anisotropic silica coating on gold nanorods boosts their potential as SERS sensors. Nanoscale. 14 (13), 5214-5226 (2022).
- Mangababu, A., et al. Multi-functional gallium arsenide nanoparticles and nanostructures fabricated using picosecond laser ablation. Applied Surface Science. 589, 152802 (2022).
- Krajczewski, J., et al. The battle for the future of SERS – TiN vs Au thin films with the same morphology. Applied Surface Science. 618, 156703 (2023).
- Naqvi, T. K., et al. Hierarchical laser-patterned silver/graphene oxide hybrid SERS sensor for explosive detection. ACS Omega. 4 (18), 17691-17701 (2019).
- Song, X., et al. Vertically aligned Ag-decorated MoS2 nanosheets supported on polyvinyl alcohol flexible substrate enable high-sensitivity and self-cleaning SERS devices. Journal of Environmental Chemical Engineering. 11 (2), 109437 (2023).
- Byram, C., Moram, S. S. B., Rao, S. V. Femtosecond laser-patterned and Au-coated iron surfaces as SERS platforms for multiple analytes detection. 2019 Workshop on Recent Advances in Photonics (WRAP). IEEE. , 1-3 (2019).
- Yao, H., et al. Functional cotton fabric-based TLC-SERS matrix for rapid and sensitive detection of mixed dyes. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 280, 121464 (2022).
- Bharati, M. S. S., Soma, V. R. Flexible SERS substrates for hazardous materials detection: recent advances. Opto-Electronic Advances. 4 (11), 210048 (2021).
- Banerjee, D., Akkanaboina, M., Kanaka, R. K., Soma, V. R. Femtosecond Bessel beam induced ladder-like LIPSS on trimetallic surface for SERS-based sensing of Tetryl and PETN. Applied Surface Science. 616, 156561 (2023).
- Moram, S. S. B., Byram, C., Shibu, S. N., Chilukamarri, B. M., Soma, V. R. Ag/Au nanoparticle-loaded paper-based versatile surface-enhanced Raman spectroscopy substrates for multiple explosives detection. ACS Omega. 3 (7), 8190-8201 (2018).
- Byram, C., Rathod, J., Moram, S. S. B., Mangababu, A., Soma, V. R. Picosecond laser-ablated nanoparticles loaded filter paper for SERS-based trace detection of Thiram, 1, 3, 5-trinitroperhydro-1, 3, 5-triazine (RDX), and Nile blue. Nanomaterials. 12 (13), 2150 (2022).
- Moram, S. S. B., Byram, C., Soma, V. R. Femtosecond laser patterned silicon embedded with gold nanostars as a hybrid SERS substrate for pesticide detection. RSC Advances. 13 (4), 2620-2630 (2023).
- Zhang, D., Li, Z., Sugioka, K. Laser ablation in liquids for nanomaterial synthesis: diversities of targets and liquids. Journal of Physics: Photonics. 3 (4), 042002 (2021).
- Verma, A. K., Soni, R. K. Laser ablation synthesis of bimetallic gold-palladium core@shell nanoparticles for trace detection of explosives. Optics & Laser Technology. 163, 109429 (2023).
- Verma, A. K., Soni, R. K. Laser-textured hybrid tin-gold SERS platforms for ultra-trace analyte detection from contaminants. Optical Materials. 139, 113820 (2023).
- Podagatlapalli, G. K., Hamad, S., Rao, S. V. Trace-level detection of secondary explosives using hybrid silver-gold nanostructures and nanoparticles achieved with femtosecond laser ablation. The Journal of Physical Chemistry. C. 119 (29), 16972-16983 (2015).
- Hamad, S., Podagatlapalli, G. K., Mohiddon, M., Soma, V. R. Cost effective nanostructured copper substrates using ultrashort laser pulses for explosives detection using surface enhanced Raman spectroscopy. Applied Physics Letters. 104, 263104 (2014).
- Chandu, B., Bharati, M., Rao, S. V. Ag nanoparticles coupled with Ag nanostructures as efficient SERS platform for detection of 2, 4-Dinitrotoluene. 2017 IEEE Workshop on Recent Advances in Photonics (WRAP). IEEE. , 1-3 (2017).
- Naqvi, T. K., et al. Ultra-sensitive reusable SERS sensor for multiple hazardous materials detection on single platform. Journal of Hazardous Materials. 407, 124353 (2021).
- Byram, C., Moram, S. S. B., Soma, V. R. SERS based multiple analyte detection from explosive mixtures using picosecond laser fabricated gold nanoparticles and nanostructures. Analyst. 144 (7), 2327-2336 (2019).
- Byram, C., Moram, S. S. B., Shaik, A. K., Soma, V. R. Versatile gold based SERS substrates fabricated by ultrafast laser ablation for sensing picric acid and ammonium nitrate. Chemical Physics Letters. 685, 103-107 (2017).
