JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Ultrasnabba laserablaterade nanopartiklar och nanostrukturer för ytförstärkta Raman-spridningsbaserade avkänningsapplikationer

Published: June 16, 2023
doi:
10.3791/65450
, , ,
1Advanced Centre for Research in High Energy Materials (ACRHEM), DRDO Industry Academia – Centre of Excellence (DIA-COE),University of Hyderabad

Summary

Ultrasnabb laserablation i vätska är en exakt och mångsidig teknik för att syntetisera nanomaterial (nanopartiklar [NP] och nanostrukturer [NS]) i vätske-/luftmiljöer. De laserablerade nanomaterialen kan funktionaliseras med Raman-aktiva molekyler för att förstärka Raman-signalen från analyter placerade på eller nära NS/NP.

Abstract

Tekniken för ultrasnabb laserablation i vätskor har utvecklats och mognat under det senaste decenniet, med flera förestående tillämpningar inom olika områden som avkänning, katalys och medicin. Det exceptionella med denna teknik är bildandet av nanopartiklar (kolloider) och nanostrukturer (fasta ämnen) i ett enda experiment med ultrakorta laserpulser. Vi har arbetat med denna teknik under de senaste åren och undersökt dess potential med hjälp av SERS-tekniken (Surface-Enhanced Raman Scattering) i avkänningsapplikationer för farliga material. Ultrasnabba laserablerade substrat (fasta ämnen och kolloider) kan detektera flera analytmolekyler på spårnivåerna/blandningsformen, inklusive färgämnen, sprängämnen, bekämpningsmedel och biomolekyler. Här presenterar vi några av de resultat som uppnåtts med hjälp av målen Ag, Au, Ag-Au och Si. Vi har optimerat de nanostrukturer (NS) och nanopartiklar (NP) som erhålls (i vätskor och luft) med hjälp av olika pulslängder, våglängder, energier, pulsformer och skrivgeometrier. Således testades olika NS och NP för deras effektivitet när det gäller att känna av många analytmolekyler med hjälp av en enkel, bärbar Raman-spektrometer. Denna metod, när den väl har optimerats, banar väg för avkänningsapplikationer på fältet. Vi diskuterar protokollen för att (a) syntetisera NP/NS via laserablation, (b) karakterisera NP/NS och (c) deras användning i de SERS-baserade avkänningsstudierna.

Introduction

Ultrasnabb laserablation är ett snabbt växande område för laser-materialinteraktioner. Högintensiva laserpulser med pulslängder i femtosekund (fs) till pikosekund (ps) används för att generera exakt materialablation. Jämfört med nanosekund (ns) laserpulser kan ps-laserpulser ablatera material med högre precision och noggrannhet på grund av deras kortare pulslängd. De kan generera mindre sidoskador, skräp och kontaminering av det ablerade materialet på grund av färre termiska effekter. PS-lasrar är dock vanligtvis dyrare än ns-lasrar och kräver specialiserad expertis för drift och underhåll. De ultrasnabba laserpulserna möjliggör exakt kontroll över energideponeringen, vilket leder till mycket lokala och minimerade termiska skador på det omgivande materialet. Dessutom kan ultrasnabb laserablation leda till generering av unika nanomaterial (dvs. ytaktiva ämnen/kapsyleringsmedel är inte obligatoriska vid tillverkning av nanomaterial). Därför kan vi benämna detta som en grön syntes/tillverkningsmetod 1,2,3. Mekanismerna för ultrasnabb laserablation är invecklade. Tekniken involverar olika fysikaliska processer, såsom (a) elektronisk excitation, (b) jonisering och (c) generering av ett tätt plasma, vilket resulterar i att material kastas ut från ytan4. Laserablation är en enkel enstegsprocess för att producera nanopartiklar (NP) med högt utbyte, smal storleksfördelning och nanostrukturer (NS). Naser et al.5 genomförde en detaljerad genomgång av de faktorer som påverkar syntesen och produktionen av NP genom laserablationsmetoden. Granskningen omfattade olika aspekter, såsom parametrarna för en laserpuls, fokuseringsförhållanden och ablationsmediet. Granskningen diskuterade också deras inverkan på produktionen av ett brett spektrum av NP med hjälp av laserablation i vätska (LAL) -metoden. De laserablerade nanomaterialen är lovande material, med tillämpningar inom olika områden som katalys, elektronik, avkänning och biomedicinska, vattenspjälkande tillämpningar 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

Ytförstärkt Raman-spridning (SERS) är en kraftfull analytisk avkänningsteknik som avsevärt förbättrar Raman-signalen från sond-/analytmolekyler som adsorberas på metalliska NS/NPs. SERS är baserad på excitation av ytplasmonresonanser i metalliska NPs/NSs, vilket resulterar i en signifikant ökning av det lokala elektromagnetiska fältet nära de metalliska nanoegenskaperna. Detta förbättrade fält interagerar med molekylerna som adsorberas på ytan, vilket avsevärt förstärker Raman-signalen. Denna teknik har använts för att detektera olika analyter, inklusive färgämnen, sprängämnen, bekämpningsmedel, proteiner, DNA och droger15,16,17. Under de senaste åren har betydande framsteg gjorts i utvecklingen av SERS-substrat, inklusive användningen av olikformade metalliska NP 18,19 (nanostavar, nanostjärnor och nanotrådar), hybrid-NS20,21 (en kombination av metallen med andra material som Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafen 26, MOS227, Fe 28, etc.), samt flexibla substrat29,30 (papper, tyg, nanofiber, etc.). Att utveckla dessa nya strategier i substraten har öppnat upp nya möjligheter för att använda SERS i olika realtidsapplikationer.

Detta protokoll diskuterar tillverkningen av Ag NP med hjälp av en ps-laser vid olika våglängder och Ag-Au-legerings-NP (med olika förhållanden av Ag- och Au-mål) tillverkade med laserablationsteknik i destillerat vatten. Dessutom skapas mikro/nanostrukturer av kisel med hjälp av en fs-laser på kisel i luften. Dessa NP och NS karakteriseras med hjälp av ultraviolett (UV)-synlig absorption, transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD) och fältemissionssvepelektronmikroskopi (FESEM). Vidare diskuteras framställning av SERS-substrat och analytmolekyler, följt av insamling av Raman- och SERS-spektra av analytmolekylerna. Dataanalys utförs för att bestämma förstärkningsfaktorn, känsligheten och reproducerbarheten hos de laserablerade NP/NS:erna som potentiella sensorer. Dessutom diskuteras typiska SERS-studier och SERS-prestanda för hybridsubstrat utvärderas. Specifikt har det visat sig att de lovande guldnanostjärnornas SERS-känslighet kan förbättras cirka 21 gånger genom att använda laserstrukturerat kisel istället för släta ytor (som Si/glas) som bas.

Protocol

Ett typiskt protokollflödesschema för tillämpningen av ultrasnabba ablerade NP eller NS vid spårdetektion av molekyler via SERS visas i figur 1A. 1. Syntetisering av metall NP/NS OBS: Beroende på krav/applikation, välj målmaterial, den omgivande vätskan och laserablationsparametrarna.Här:Målmaterial: AgOmgivande vätska: 10 ml DILaserparametrar: 355/532/1064 nm; 30 p/s; 10 Hz; 15 mJF…

Representative Results

Silver NP syntetiserades via ps-laserablation i vätsketeknik. Här användes ett ps-lasersystem med en pulslängd på ~30 ps som arbetar med en repetitionsfrekvens på 10 Hz och med en våglängd på en på 355, 532 eller 1 064 nm. Den ingående pulsenergin justerades till 15 mJ. Laserpulserna fokuserades med hjälp av en plano-konvex lins med en brännvidd på 10 cm. Laserfokus bör vara exakt på materialytan under laserablation eftersom laserenergin är mest koncentrerad vid brännpunkten, där den kan orsak…

Discussion

Vid ultraljudsrengöring nedsänks materialet som ska rengöras i en vätska och högfrekventa ljudvågor appliceras på vätskan med hjälp av en ultraljudsrengörare. Ljudvågorna orsakar bildning och implosion av små bubblor i vätskan, vilket genererar intensiv lokal energi och tryck som lossar och tar bort smuts och andra föroreningar från materialets yta. Vid laserablation användes en Brewster-polarisator och en kombination av halvvågsplattor för att ställa in laserenergin; Polarisatorn placeras vanligtvis f…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi tackar University of Hyderabad för stöd genom Institute of Eminence (IoE) projektet UOH/IOE/RC1/RC1-2016. IoE-bidraget erhölls enligt meddelande F11/9/2019-U3(A) från MHRD, Indien. DRDO, Indien är erkänt för finansieringsstöd genom ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Vi tackar School of Physics, UoH, för FESEM-karakteriseringen och XRD-anläggningarna. Vi vill rikta ett stort tack till Prof SVS Nageswara Rao och hans grupp för deras värdefulla samarbete, bidrag och stöd. Vi vill uttrycka vår uppskattning till tidigare och nuvarande laboratoriemedlemmar Dr. P Gopala Krishna, Dr. Hamad Syed, Dr. Chandu Byram, Mr. Sampath Kumar, Ms. Ch Bindu Madhuri, Ms. Reshma Beeram, Mr. A Mangababu och Mr. K Ravi Kumar för deras ovärderliga stöd och hjälp under och efter laserablationsexperimenten i labbet. Vi erkänner det framgångsrika samarbetet med 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Byram, C., et al. Review of ultrafast laser ablation for sensing and photonic applications. Journal of Optics. 25, 043001 (2023).
  3. Barcikowski, S., et al. . Handbook of laser synthesis of colloids. , (2016).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Zhang, D., Wada, H. Laser ablation in liquids for nanomaterial synthesis and applications. Handbook of Laser Micro-and Nano-Engineering. , 1-35 (2020).
  7. Yang, G. W. Laser ablation in liquids: Applications in the synthesis of nanocrystals. Progress in Materials Science. 52 (4), 648-698 (2007).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Mandal, P., Tewari, B. S. Progress in surface enhanced Raman scattering molecular sensing: A review. Surfaces and Interfaces. 28, 101655 (2022).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Chung, T., Lee, S. -. H. Quantitative study of plasmonic gold nanostar geometry toward optimal SERS detection. Plasmonics. 17 (5), 2113-2121 (2022).
  20. Mangababu, A., et al. Gold nanoparticles decorated GaAs periodic surface nanostructures for trace detection of RDX and tetryl. Surfaces and Interfaces. 36, 102563 (2023).
  21. 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).
  22. Chirumamilla, A., et al. Lithography-free fabrication of scalable 3D nanopillars as ultrasensitive SERS substrates. Applied Materials Today. 31, 101763 (2023).
  23. Meyer, S. M., Murphy, C. J. Anisotropic silica coating on gold nanorods boosts their potential as SERS sensors. Nanoscale. 14 (13), 5214-5226 (2022).
  24. Mangababu, A., et al. Multi-functional gallium arsenide nanoparticles and nanostructures fabricated using picosecond laser ablation. Applied Surface Science. 589, 152802 (2022).
  25. 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).
  26. Naqvi, T. K., et al. Hierarchical laser-patterned silver/graphene oxide hybrid SERS sensor for explosive detection. ACS Omega. 4 (18), 17691-17701 (2019).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Bharati, M. S. S., Soma, V. R. Flexible SERS substrates for hazardous materials detection: recent advances. Opto-Electronic Advances. 4 (11), 210048 (2021).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).
  34. 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).
  35. 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).
  36. 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).
  37. 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).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. 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).
  43. 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).

Tags

Laser AblationNanoparticlesNanostructuresSurface-enhanced Raman ScatteringSensing ApplicationsNanomaterial FabricationLaser ParametersSynthesis MechanismsCatalysisElectronicsEnergy StorageBiomedical ImagingScalable ProductionHybrid NanomaterialsSurface FunctionalizationUltrafast Laser AblationMolecular Dynamic SimulationsTEM CharacterizationReal-time MonitoringAutomationSample PreparationContamination ControlData AnalysisGoldSilverZincTitaniumCopperSiliconGallium ArsenideGermaniumGraphene OxideHafniumBimetallicTrimetallicMetal Oxides
check_url/65450?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Moram, S. S. B., Rathod, J., Banerjee, D., Soma, V. R. Ultrafast Laser-Ablated Nanoparticles and Nanostructures for Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Sensing Applications. J. Vis. Exp. (196), e65450, doi:10.3791/65450 (2023).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image