Сверхбыстрые наночастицы и наноструктуры с лазерной абляцией для поверхностного зондирования на основе комбинационного рассеяния
Summary
Сверхбыстрая лазерная абляция в жидкости является точным и универсальным методом синтеза наноматериалов (наночастиц [НЧ] и наноструктур [НС]) в жидко-воздушных средах. Наноматериалы, полученные с помощью лазерной абляции, могут быть функционализированы комбинацион-активными молекулами для усиления рамановского сигнала аналитов, размещенных на NS/NP или рядом с ними.
Abstract
Техника сверхбыстрой лазерной абляции в жидкостях развивалась и совершенствовалась в течение последнего десятилетия, с несколькими предстоящими применениями в различных областях, таких как сенсорика, катализ и медицина. Исключительной особенностью этого метода является формирование наночастиц (коллоидов) и наноструктур (твердых тел) в одном эксперименте с ультракороткими лазерными импульсами. Мы работали над этим методом в течение последних нескольких лет, исследуя его потенциал с использованием метода комбинационного рассеяния с поверхностным усилением (SERS) в приложениях для обнаружения опасных материалов. Сверхбыстрые лазерные субстраты (твердые и коллоидные) могут обнаруживать несколько молекул аналита на следовых уровнях/форме смеси, включая красители, взрывчатые вещества, пестициды и биомолекулы. Здесь мы представляем некоторые результаты, достигнутые с использованием целевых показателей Ag, Au, Ag-Au и Si. Мы оптимизировали полученные наноструктуры (НС) и наночастицы (НЧ) (в жидкостях и воздухе) с использованием различных длительностей импульсов, длин волн, энергий, форм импульсов и геометрии записи. Таким образом, различные НС и НЧ были проверены на эффективность в обнаружении многочисленных молекул аналита с помощью простого портативного рамановского спектрометра. Эта методология, будучи оптимизированной, прокладывает путь для применения в полевых условиях. Мы обсуждаем протоколы по (а) синтезу НЧ/НС с помощью лазерной абляции, (б) характеризации НЧ/НС и (в) их использованию в исследованиях зондирования на основе SERS.
Introduction
Сверхбыстрая лазерная абляция — это быстро развивающаяся область взаимодействия лазера с материалом. Высокоинтенсивные лазерные импульсы с длительностью импульсов в фемтосекундном (fs) и пикосекундном (ps) диапазоне используются для создания точной абляции материала. По сравнению с наносекундными (нс) лазерными импульсами, лазерные импульсы ps могут аблизировать материалы с более высокой точностью и аккуратностью из-за их меньшей длительности импульса. Они могут генерировать меньше сопутствующих повреждений, мусора и загрязнения абляционного материала из-за меньшего теплового воздействия. Тем не менее, ps-лазеры, как правило, дороже, чем ns-лазеры, и требуют специальных знаний для эксплуатации и обслуживания. Сверхбыстрые лазерные импульсы обеспечивают точный контроль над осаждением энергии, что приводит к высоколокализованному и минимальному тепловому повреждению окружающего материала. Кроме того, сверхбыстрая лазерная абляция может привести к получению уникальных наноматериалов (т.е. поверхностно-активные вещества/укупорочные агенты не являются обязательными при производстве наноматериалов). Таким образом, мы можем назвать это методом зеленого синтеза/производства 1,2,3. Механизмы сверхбыстрой лазерной абляции сложны. Этот метод включает в себя различные физические процессы, такие как (а) электронное возбуждение, (б) ионизация и (в) генерация плотной плазмы, которая приводит к выбросу вещества с поверхности4. Лазерная абляция — это простой одноэтапный процесс получения наночастиц (НЧ) с высоким выходом, узким распределением по размерам и наноструктурами (НС). Naser et al.5 провели детальный обзор факторов, влияющих на синтез и продукцию НУЧ методом лазерной абляции. В обзоре были рассмотрены различные аспекты, такие как параметры лазерного импульса, условия фокусировки и абляционная среда. В обзоре также обсуждалось их влияние на получение широкого спектра НЧ с использованием метода лазерной абляции в жидкости (LAL). Наноматериалы, полученные с помощью лазерной абляции, являются перспективными материалами для применения в различных областях, таких как катализ, электроника, сенсорика и биомедицина, расщепление воды 6,7,8,9,10,11,12,13,14.
Поверхностно-усиленное комбинационное рассеяние (SERS) — это мощный аналитический метод зондирования, который значительно усиливает рамановский сигнал от молекул зонда/аналита, адсорбированных на металлических NS/NP. SERS основан на возбуждении поверхностных плазмонных резонансов в металлических НЧ/НС, что приводит к значительному увеличению локального электромагнитного поля вблизи металлических наноэлементов. Это усиленное поле взаимодействует с молекулами, адсорбированными на поверхности, значительно усиливая рамановский сигнал. Этот метод был использован для обнаружения различных аналитов, включая красители, взрывчатые вещества, пестициды, белки, ДНК и лекарственные препараты15,16,17. В последние годы был достигнут значительный прогресс в разработке подложек SERS, включая использование различных по форме металлических NP 18,19 (наностержни, нанозвезды и нанопроволоки), гибридных NSs20,21 (комбинация металла с другими материалами, такими как Si22,23, GaAs 24, Ti 25, графен 26, MOS227, Fe 28и др.), а также гибкие подложки29,30 (бумага, ткань, нановолокно и др.). Разработка этих новых стратегий в подложках открыла новые возможности для использования SERS в различных приложениях реального времени.
В этом протоколе обсуждается изготовление НЧ Ag с использованием лазера ps на различных длинах волн и НЧ из сплава Ag-Au (с различным соотношением мишеней Ag и Au), изготовленных с использованием метода лазерной абляции в дистиллированной воде. Кроме того, кремниевые микро/наноструктуры создаются с помощью fs-лазера на кремнии в воздухе. Эти НЧ и НС характеризуются с помощью ультрафиолетового (УФ)-видимого поглощения, просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), рентгеновской дифракции (XRD) и полевой эмиссионной сканирующей электронной микроскопии (FESEM). Кроме того, обсуждается подготовка субстратов SERS и молекул аналита с последующим сбором спектров комбинационного рассеяния света и SERS молекул анализируемого вещества. Анализ данных проводится для определения коэффициента усиления, чувствительности и воспроизводимости лазерной абляции НЧ/НС в качестве потенциальных сенсоров. Кроме того, обсуждаются типичные исследования SERS и оцениваются характеристики SERS гибридных субстратов. В частности, было обнаружено, что чувствительность SERS многообещающих золотых нанозвезд может быть увеличена примерно в 21 раз за счет использования лазерно-структурированного кремния вместо плоских поверхностей (таких как Si/стекло) в качестве основы.
Protocol
Representative Results
Discussion
При ультразвуковой очистке очищаемый материал погружается в жидкость и высокочастотные звуковые волны наносятся на жидкость с помощью ультразвуковой мойки. Звуковые волны вызывают образование и схлопывание крошечных пузырьков в жидкости, генерируя интенсивную локальную энергию и д…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарим Хайдарабадский университет за поддержку в рамках проекта Института выдающихся личностей (IoE) UOH/IOE/RC1/RC1-2016. Грант IoE получил уведомление F11/9/2019-U3(A) от MHRD, Индия. DRDO, Индия признана за финансовую поддержку через ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Мы выражаем признательность Школе физики Университета Огайо за определение характеристик FESEM и оборудование XRD. Мы хотели бы выразить нашу искреннюю благодарность профессору SVS Нагесваре Рао и его группе за их ценный вклад в сотрудничество и поддержку. Мы хотели бы выразить нашу признательность бывшим и нынешним сотрудникам лаборатории доктору. Гопала Кришне, доктору Хамаду Сайеду, доктору Чанду Байраму, г-ну С. Сампатху Кумару, г-же Ч. Бинду Мадхури, г-же Решме Бирам, г-ну А. Мангабабу и г-ну К. Рави Кумару за их неоценимую поддержку и помощь во время и после экспериментов по лазерной абляции в лаборатории. Мы отмечаем успешное сотрудничество д-ра Прабхата Кумара Двиведи, 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).
