Nanoparticules et nanostructures ultrarapides ablées par laser pour des applications de détection basées sur la diffusion Raman améliorée en surface
Summary
L’ablation laser ultrarapide dans un liquide est une technique précise et polyvalente pour synthétiser des nanomatériaux (nanoparticules [NPs] et nanostructures [NSs]) dans des environnements liquides/aériens. Les nanomatériaux ablatés par laser peuvent être fonctionnalisés avec des molécules actives Raman pour améliorer le signal Raman des analytes placés sur ou à proximité des NS/NPs.
Abstract
La technique d’ablation laser ultrarapide dans les liquides a évolué et mûri au cours de la dernière décennie, avec plusieurs applications imminentes dans divers domaines tels que la détection, la catalyse et la médecine. La particularité de cette technique est la formation de nanoparticules (colloïdes) et de nanostructures (solides) en une seule expérience avec des impulsions laser ultracourtes. Nous travaillons sur cette technique depuis quelques années, en étudiant son potentiel en utilisant la technique de diffusion Raman améliorée en surface (SERS) dans les applications de détection de matières dangereuses. Les substrats ultrarapides ablatés par laser (solides et colloïdes) pourraient détecter plusieurs molécules d’analyte à l’état de traces/mélanges, y compris des colorants, des explosifs, des pesticides et des biomolécules. Nous présentons ici quelques-uns des résultats obtenus en utilisant les cibles d’Ag, d’Au, d’Ag-Au et de Si. Nous avons optimisé les nanostructures (NS) et les nanoparticules (NPs) obtenues (dans les liquides et l’air) en utilisant différentes durées d’impulsions, longueurs d’onde, énergies, formes d’impulsions et géométries d’écriture. Ainsi, divers NS et NP ont été testés pour leur efficacité à détecter de nombreuses molécules d’analyte à l’aide d’un spectromètre Raman simple et portable. Cette méthodologie, une fois optimisée, ouvre la voie à des applications de détection sur le terrain. Nous discutons des protocoles dans (a) la synthèse des NPs/NSs par ablation laser, (b) la caractérisation des NPs/NSs, et (c) leur utilisation dans les études de détection basées sur le SERS.
Introduction
L’ablation laser ultrarapide est un domaine en évolution rapide des interactions laser-matériau. Des impulsions laser de haute intensité avec des durées d’impulsion de l’ordre de la femtoseconde (fs) à la picoseconde (ps) sont utilisées pour générer une ablation précise du matériau. Par rapport aux impulsions laser nanosecondes (ns), les impulsions laser ps peuvent ablater les matériaux avec une précision et une exactitude plus élevées en raison de leur durée d’impulsion plus courte. Ils peuvent générer moins de dommages collatéraux, de débris et de contamination du matériau ablaté en raison de moins d’effets thermiques. Cependant, les lasers ps sont généralement plus chers que les lasers ns et nécessitent une expertise spécialisée pour le fonctionnement et la maintenance. Les impulsions laser ultrarapides permettent un contrôle précis du dépôt d’énergie, ce qui conduit à des dommages thermiques hautement localisés et minimisés au matériau environnant. De plus, l’ablation laser ultrarapide peut conduire à la génération de nanomatériaux uniques (c’est-à-dire que les tensioactifs/agents de capsulage ne sont pas obligatoires lors de la production de nanomatériaux). Par conséquent, nous pouvons appeler cela une méthode de synthèse/fabrication verte 1,2,3. Les mécanismes de l’ablation laser ultrarapide sont complexes. La technique implique différents processus physiques, tels que (a) l’excitation électronique, (b) l’ionisation et (c) la génération d’un plasma dense, qui entraîne l’éjection de matière de la surface4. L’ablation au laser est un processus simple en une seule étape pour produire des nanoparticules (NP) avec un rendement élevé, une distribution granulométrique étroite et des nanostructures (NS). Naser et al.5 ont effectué un examen détaillé des facteurs influençant la synthèse et la production de NPs par la méthode d’ablation laser. L’examen a couvert divers aspects, tels que les paramètres d’une impulsion laser, les conditions de mise au point et le milieu d’ablation. L’examen a également discuté de leur impact sur la production d’une large gamme de NP à l’aide de la méthode d’ablation laser dans le liquide (LAL). Les nanomatériaux ablatés par laser sont des matériaux prometteurs, avec des applications dans divers domaines tels que la catalyse, l’électronique, la détection et les applications biomédicales, de séparation de l’eau 6,7,8,9,10,11,12,13,14.
La diffusion Raman améliorée en surface (SERS) est une puissante technique de détection analytique qui améliore considérablement le signal Raman des molécules de sonde/analyte adsorbées sur les NS/NP métalliques. SERS est basé sur l’excitation des résonances plasmoniques de surface dans les NP/NS métalliques, ce qui entraîne une augmentation significative du champ électromagnétique local à proximité des nano-caractéristiques métalliques. Ce champ amélioré interagit avec les molécules adsorbées à la surface, ce qui améliore considérablement le signal Raman. Cette technique a été utilisée pour détecter divers analytes, y compris les colorants, les explosifs, les pesticides, les protéines, l’ADN et les médicaments15,16,17. Au cours des dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans le développement de substrats SERS, y compris l’utilisation de NP métalliques de forme différente 18,19 (nanotiges, nanoétoiles et nanofils), de NS hybrides20,21 (une combinaison du métal avec d’autres matériaux tels que Si22,23, GaAs 24, Ti 25, graphène 26, MOS227, Fe 28, etc.), ainsi que des substrats souples29,30 (papier, tissu, nanofibre, etc.). Le développement de ces nouvelles stratégies dans les substrats a ouvert de nouvelles possibilités pour l’utilisation du SERS dans diverses applications en temps réel.
Ce protocole traite de la fabrication de NPs Ag à l’aide d’un laser ps à différentes longueurs d’onde et de NPs en alliage Ag-Au (avec différents ratios de cibles Ag et Au) fabriqués à l’aide de la technique d’ablation laser dans de l’eau distillée. De plus, des micro/nanostructures de silicium sont créées à l’aide d’un laser fs sur du silicium dans l’air. Ces NP et NS sont caractérisés à l’aide de l’absorption ultraviolette (UV) et visible, de la microscopie électronique à transmission (MET), de la diffraction des rayons X (DRX) et de la microscopie électronique à balayage par émission de champ (FESEM). De plus, la préparation des substrats SERS et des molécules d’analyte est discutée, suivie de la collecte des spectres Raman et SERS des molécules d’analyte. L’analyse des données est effectuée pour déterminer le facteur d’amélioration, la sensibilité et la reproductibilité des NP/NS ablatés par laser en tant que capteurs potentiels. De plus, des études SERS typiques sont discutées et les performances SERS des substrats hybrides sont évaluées. Plus précisément, il a été constaté que la sensibilité SERS des nanoétoiles d’or prometteuses peut être améliorée d’environ 21 fois en utilisant du silicium structuré au laser au lieu de surfaces lisses (telles que le Si/verre) comme base.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans le nettoyage par ultrasons, le matériau à nettoyer est immergé dans un liquide et des ondes sonores à haute fréquence sont appliquées au liquide à l’aide d’un nettoyeur à ultrasons. Les ondes sonores provoquent la formation et l’implosion de minuscules bulles dans le liquide, générant une énergie et une pression locales intenses qui délogent et éliminent la saleté et d’autres contaminants de la surface du matériau. Lors de l’ablation laser, un polariseur Brewster et une combinaison de plaque…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions l’Université d’Hyderabad pour son soutien dans le cadre du projet UOH/IOE/RC1/RC1-2016 de l’Institut de l’Éminence (IoE). La subvention IoE a été obtenue par notification F11/9/2019-U3(A) du MHRD, Inde. DRDO, Inde est reconnue pour son soutien financier par l’intermédiaire de l’ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Nous remercions l’École de physique, UoH, pour la caractérisation FESEM et les installations de XRD. Nous tenons à exprimer notre sincère gratitude au professeur SVS Nageswara Rao et à son groupe pour leur précieuse collaboration, leurs contributions et leur soutien. Nous tenons à exprimer notre gratitude aux membres passés et présents du laboratoire, le Dr P Gopala Krishna, le Dr Hamad Syed, le Dr Chandu Byram, M. S Sampath Kumar, Mme Ch Bindu Madhuri, Mme Reshma Beeram, M. A Mangababu et M. K Ravi Kumar pour leur soutien et leur aide inestimables pendant et après les expériences d’ablation au laser en laboratoire. Nous saluons la collaboration fructueuse du Dr Prabhat Kumar Dwivedi, de l’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 |
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