Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Ultrahurtige laserablerede nanopartikler og nanostrukturer til overfladeforbedrede Raman-spredningsbaserede sensorapplikationer

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

Summary

Ultrahurtig laserablation i væske er en præcis og alsidig teknik til syntetisering af nanomaterialer (nanopartikler [NP'er] og nanostrukturer [NS'er]) i væske-/luftmiljøer. De laserablerede nanomaterialer kan funktionaliseres med Raman-aktive molekyler for at forbedre Raman-signalet fra analysander placeret på eller i nærheden af NS'erne / NP'erne.

Abstract

Teknikken til ultrahurtig laserablation i væsker har udviklet sig og modnet i løbet af det sidste årti med flere forestående anvendelser inden for forskellige områder såsom sensing, katalyse og medicin. Det ekstraordinære træk ved denne teknik er dannelsen af nanopartikler (kolloider) og nanostrukturer (faste stoffer) i et enkelt eksperiment med ultrakorte laserimpulser. Vi har arbejdet på denne teknik i de sidste par år og undersøgt dens potentiale ved hjælp af den overfladeforbedrede Raman-spredningsteknik (SERS) i følsomme materialesensorapplikationer. Ultrahurtige laserablerede substrater (faste stoffer og kolloider) kunne detektere flere analysandmolekyler ved sporniveauerne / blandingsformen, herunder farvestoffer, sprængstoffer, pesticider og biomolekyler. Her præsenterer vi nogle af de opnåede resultater ved hjælp af målene for Ag, Au, Ag-Au og Si. Vi har optimeret nanostrukturer (NS'er) og nanopartikler (NP'er) opnået (i væsker og luft) ved hjælp af forskellige pulsvarigheder, bølgelængder, energier, pulsformer og skrivegeometrier. Således blev forskellige NS'er og NP'er testet for deres effektivitet til at detektere adskillige analysandmolekyler ved hjælp af et simpelt, bærbart Raman-spektrometer. Når denne metode er optimeret, baner den vejen for sensorapplikationer i marken. Vi diskuterer protokollerne i (a) syntetisering af NP'erne / NS'erne via laserablation, (b) karakterisering af NP'er / NS'er og (c) deres anvendelse i de SERS-baserede sensorstudier.

Introduction

Ultrahurtig laserablation er et hurtigt udviklende felt af lasermaterialeinteraktioner. Højintensive laserimpulser med pulsvarigheder i området femtosekund (fs) til picosekund (ps) bruges til at generere præcis materialeablation. Sammenlignet med nanosekund (ns) laserimpulser kan ps-laserimpulser ablatere materialer med højere præcision og nøjagtighed på grund af deres kortere pulsvarighed. De kan generere mindre sikkerhedsskader, snavs og forurening af det ablerede materiale på grund af færre termiske effekter. PS-lasere er dog typisk dyrere end ns-lasere og har brug for specialiseret ekspertise til drift og vedligeholdelse. De ultrahurtige laserimpulser muliggør præcis kontrol over energiaflejringen, hvilket fører til meget lokaliserede og minimerede termiske skader på det omgivende materiale. Desuden kan ultrahurtig laserablation føre til dannelse af unikke nanomaterialer (dvs. overfladeaktive stoffer/capping agents er ikke obligatoriske under produktionen af nanomaterialer). Derfor kan vi kalde dette en grøn syntese / fabrikationsmetode 1,2,3. Mekanismerne for ultrahurtig laserablation er indviklede. Teknikken involverer forskellige fysiske processer, såsom (a) elektronisk excitation, (b) ionisering og (c) dannelsen af et tæt plasma, hvilket resulterer i udstødning af materiale fra overfladen4. Laserablation er en simpel enkelttrinsproces til fremstilling af nanopartikler (NP'er) med højt udbytte, smal størrelsesfordeling og nanostrukturer (NS'er). Naser et al.5 gennemførte en detaljeret gennemgang af de faktorer, der påvirker syntesen og produktionen af NP'er gennem laserablationsmetoden. Gennemgangen dækkede forskellige aspekter, såsom parametrene for en laserpuls, fokuseringsbetingelser og ablationsmediet. Gennemgangen diskuterede også deres indvirkning på fremstilling af en bred vifte af NP'er ved hjælp af laserablation i væske (LAL) -metoden. De laserablerede nanomaterialer er lovende materialer med anvendelser inden for forskellige områder såsom katalyse, elektronik, sensing og biomedicinske, vandopdelingsapplikationer 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

Overfladeforstærket Raman-spredning (SERS) er en kraftfuld analytisk sensorteknik, der signifikant forbedrer Raman-signalet fra sonde / analytmolekyler adsorberet på metalliske NS'er / NP'er. SERS er baseret på excitation af overfladeplasmonresonanser i metalliske NP'er / NS'er, hvilket resulterer i en signifikant stigning i det lokale elektromagnetiske felt nær de metalliske nano-funktioner. Dette forbedrede felt interagerer med molekylerne adsorberet på overfladen, hvilket forbedrer Raman-signalet betydeligt. Denne teknik er blevet brugt til at detektere forskellige analysander, herunder farvestoffer, sprængstoffer, pesticider, proteiner, DNA og lægemidler15,16,17. I de senere år er der gjort betydelige fremskridt i udviklingen af SERS-substrater, herunder brugen af forskelligt formede metalliske NP'er 18,19 (nanoroder, nanostjerner og nanotråde), hybride NS'er20,21 (en kombination af metallet med andre materialer såsom Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafen 26, MOS227, Fe 28samt fleksible substrater29,30 (papir, klud, nanofiber osv.). Udviklingen af disse nye strategier i substraterne har åbnet nye muligheder for at bruge SERS i forskellige realtidsapplikationer.

Denne protokol diskuterer fremstillingen af Ag NP'er ved hjælp af en ps-laser ved forskellige bølgelængder og Ag-Au-legerings-NP'er (med forskellige forhold mellem Ag- og Au-mål) fremstillet ved hjælp af laserablationsteknik i destilleret vand. Derudover oprettes siliciummikro / nanostrukturer ved hjælp af en fs-laser på silicium i luften. Disse NP'er og NS'er er karakteriseret ved hjælp af ultraviolet (UV) synlig absorption, transmissionselektronmikroskopi (TEM), røntgendiffraktion (XRD) og feltemissionsscanningelektronmikroskopi (FESEM). Desuden diskuteres fremstillingen af SERS-substrater og analysandmolekyler, efterfulgt af indsamling af Raman- og SERS-spektre af analysandmolekylerne. Dataanalyse udføres for at bestemme forbedringsfaktoren, følsomheden og reproducerbarheden af de laserablerede NP'er / NS'er som potentielle sensorer. Derudover diskuteres typiske SERS-undersøgelser, og SERS-ydeevnen for hybridsubstrater evalueres. Specifikt har det vist sig, at de lovende guldnanostjerners SERS-følsomhed kan forbedres ca. 21 gange ved at bruge laserstruktureret silicium i stedet for glatte overflader (såsom Si / glas) som base.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Figur 1A viser et typisk protokoldiagram over anvendelsen af ultrahurtige ablerede NP'er eller NS'er til spordetektion af molekyler via SERS.

1. Syntetisering af metal NP'er / NS'er

BEMÆRK: Afhængigt af kravet/anvendelsen skal du vælge målmaterialet, den omgivende væske og laserablationsparametrene.
Her:
Målmaterialer: Ag
Omgivende væske: 10 ml DI
Laser parametre: 355/532/1064 nm; 30 ps; 10 Hz; 15 mJ
Fokuseringsobjektiv: Plano-konveks linse (brændvidde: 10 cm)
Trinparametre: 0,1 mm/s i X- og Y-retningen

  1. Prøverensning før laserablation
    1. Udfør ultralydsrensning (40 kHz, 50 W, 30 ° C) af måloverfladen ved hjælp af acetone i 15 minutter, hvilket fjerner forskellige organiske materialer, herunder olier, fedt og voks.
    2. Udsæt derefter overfladen for ultralydsrensning med ethanol i yderligere 15 minutter for at fjerne polære forurenende stoffer, såsom salte og sukkerarter.
    3. Endelig rengøres overfladen med deioniseret vand (DW) ved hjælp af ultralydsrensning i 15 minutter for at fjerne eventuelle resterende spor af opløsningsmidler eller forurenende stoffer fra prøvens overflade.
      BEMÆRK: Disse trin hjælper med at fjerne uønskede urenheder, der kan være til stede på overfladen, hvilket sikrer nøjagtig analyse.
  2. Måling af prøvens vægt
    1. Prøvens vægt måles før ablation.
    2. Udfør laserablationseksperimentet på prøven.
    3. Prøvens vægt måles igen efter ablationsforsøget.
    4. Ved at sammenligne prøvens vægt før og efter ablation estimeres mængden af materiale, der blev fjernet under eksperimentet. Disse oplysninger vil være nyttige til analyse af egenskaberne af det ablerede materiale, såsom koncentrationen og udbyttet af de ablerede produkter.
  3. Juster laserparametrene
    1. Indgangslasereffekten justeres, så den er større end prøvens ablationstærskel. Her blev en indgangseffekt på ~ 150 mW brugt til ps-laserablation af Ag-målet.
      BEMÆRK: Tærsklen refererer til den minimale energi pr. arealenhed, der kræves for at opvarme målmaterialet til det punkt, hvor det fordampes og omdannes til plasma.
    2. Kombiner en polarisator og en halvbølgeplade for at justere laserpulsenergien. Figur 1B viser skemaet for ultrahurtig laserablation.
  4. Laserfokusjusteringer på prøveoverfladen
    1. Fokuser laserstrålen på prøven ved hjælp af en fokuslinse for at ablate materialets overflade.
    2. Juster laserens fokus på prøven manuelt ved hjælp af et oversættelsestrin i Z-retningen ved at observere det lyse plasma, der produceres, og den udstrålende krakningslyd.
      BEMÆRK: For at visualisere plasmaet, der genereres under laserablationseksperimenterne, er fotografierne af begge konfigurationer vist i figur 2A: (i) laserablation i luft og (ii) laserablation i væske (LAL).
  5. Forskellige typer fokusering
    BEMÆRK: Fokusering af optik kan hjælpe med at øge energitætheden af laserstrålen (plasmadannelse) på prøveoverfladen, hvilket fører til mere effektiv ablation. Forskellige typer fokuseringsoptik kan bruges, såsom plano-konvekse linser, axicon31, cylindriske linser osv.
    1. Brug fokuseringsoptik til at fokusere laserstrålen på prøven, afhængigt af de specifikke krav, som at opnå forskellige ablationsdybder, hvilket giver bedre kontrol over syntesen af NP'er / NS'er. Figur 2B viser de tre fokuseringsbetingelser, der anvendes i LAL.
      BEMÆRK: Justering af laserfokus på prøven i laserablation kræver visse forholdsregler for at sikre sikkerhed og nøjagtighed.
    2. Kontroller og vedligehold det udstyr, der bruges til at manipulere laserfokus, for at sikre, at det fungerer korrekt.
    3. Juster laserfokus sikkert og præcist for at minimere risikoen for personskade eller beskadigelse af udstyr.
      BEMÆRK: Valget af objektivernes brændvidde afhænger af det materiale, der anvendes til laserablation, lasertypen (pulsvarighed, strålestørrelse) og også den ønskede spotstørrelse på prøveoverfladen.
  6. Scanningsområde af prøven
    1. Placer prøven på de X-Y-trin, der er tilsluttet en ESP-bevægelsescontroller. Prøven bevæger sig vinkelret på laserudbredelsesretningen.
      BEMÆRK: ESP-bevægelsescontrolleren bruges til at udføre en rasterscanning af prøven i X- og Y-retningen for at forhindre enkeltpunktsablation.
    2. Juster scanningshastigheden (typisk 0,1 mm/s for et bedre udbytte af metal-NP'er) og laserbehandlingsområdet for at optimere antallet af laserimpulser, der interagerer med prøven, da dette påvirker udbyttet af NP'erne.
    3. For at opnå de ønskede dimensioner og forhindre enkeltpunktsablation skal du udføre lasermønster, mens du scanner prøven under laserablationsprocessen.
      BEMÆRK: Figur 3A, B illustrerer fs laserablationsopsætningsfotografiet ved at aktivere henholdsvis Gaussiske og Bessel-stråler.
  7. Laserablation i væske til syntetisering af metal-NP'er/NS'er
    1. Udfør et laserablationseksperiment efter opsætning af alle de ønskede krav. Følg trinene nævnt i trin 1.1-1.6.
    2. Sørg for at overvåge lasereffekten og andre indstillinger for at sikre, at de forbliver konsistente under hele eksperimentet.
    3. Observer kontinuerligt målmaterialet under laserablationseksperimentet for at sikre, at laserstrålen forbliver fokuseret på det ønskede område.
      BEMÆRK: Figur 3A, B viser fs laser ablation eksperimentelle opsætninger til syntetisering af NP'erne ved hjælp af henholdsvis en Gaussisk stråle og en axicon stråle. En plano-konveks linse blev brugt til at fokusere indgangsimpulserne. Dannelsen af NP'er fremgår af billederne opnået på forskellige tidspunkter af eksperimentet. Opløsningens farve indikerer dannelsen af NP'er, og en farveændring i opløsningen indikerer et stigende udbytte af NP'erne (afbildet i figur 4). Laserbeskyttelsesbriller skal bæres, når du arbejder i laserlaboratoriet, og brug kun godkendte lasersikkerhedsbriller for den korrekte bølgelængde. Enhver vildfaren refleksion af laserstrålen med høj effekt i øjet er ekstremt farlig, hvilket resulterer i irreversibel skade. Laserstrålen skal holdes pegende væk fra alle mennesker i laserlaboratoriet. De optiske elementer i opsætningen blev ikke forstyrret på det optiske bord. Prøven og stadierne skal overvåges, mens forsøgene udføres.

2. Opbevaring af kolloide NP'er/NS'er

  1. Opbevar de syntetiserede NP'er i rene glasflasker og opbevar NS'er i lufttætte beholdere. Placer begge inde i en ekssikkator.
    BEMÆRK: Figur 5 viser kolloide NP'er af forskellige farver syntetiseret gennem LAL ved at kombinere forskellige væsker og mål. Her viser figur 5A,B de typiske fotografier af forskellige kolloide NP'er, herunder (i) metal-NP'er, Ag-, Au- og Cu-NP'er i forskellige opløsningsmidler, såsom DW og NaCl; ii) NP'er af metallegeringer, Ag-Au-NP'er med forskellige sammensætninger, Ag-Cu-NP'er og Au-Cu-NP'er og iii) NP'er af metalhalvlederlegeringer, titanium-Au og silicium-Au/Ag-NP'er. Disse fotografier illustrerer de mange forskellige NP'er, der kan syntetiseres ved hjælp af kolloide metoder og viser de unikke optiske egenskaber af metal-halvlederlegerings-NP'er. Opbevaring af kolloide NP'er korrekt er afgørende for at sikre deres stabilitet og bevare deres egenskaber. Glasflasker foretrækkes frem for plast- eller metalbeholdere, da de ikke reagerer med NP'erne. NP'er / NS'er skal opbevares i en beholder med et tætsluttende låg for at minimere udsættelse for luft og opbevares på et mørkt sted, der beskytter dem mod lys.

3. Karakterisering af laserablerede NP'er/NS'er

BEMÆRK: Karakterisering af metal NS'er / NP'er er afgørende for at forstå deres egenskaber og sikre deres kvalitet, såsom størrelse, form, sammensætning osv.

  1. Absorptionsspektroskopi
    BEMÆRK: UV-synlig absorptionsspektroskopi er en veletableret teknik til karakterisering af metal NP'er. Det betragtes som hurtigt, enkelt og ikke-invasivt, hvilket gør det til et værdifuldt værktøj til bestemmelse af forskellige egenskaber ved NP'er. Placeringen af toppe er relateret til forskellige egenskaber ved NP'erne, såsom deres materialesammensætning, størrelsesfordeling, form og det omgivende medium.
    1. Prøveforberedelse til UV-synlige absorptionsundersøgelser
      1. Før du optager spektret, skal du sikre dig, at NP'erne er jævnt fordelt og suspenderet i opløsningen. En prøvekuvette fyldes med 3 ml NP-suspension og en referencekuvette fyldt med basisopløsningsmidlet (hvori NP'erne dispergeres). Sørg for, at kuvetterne er rene og fri for forurenende stoffer.
      2. Absorptionsdata indsamles (i spektralområdet fra 200-900 nm) ved hjælp af en typisk trinstørrelse på 1 nm.
  2. TEM-analyse
    BEMÆRK: Kolloid NP-størrelse og form blev undersøgt af et transmissionselektronmikroskop og senere analyseret ved hjælp af softwaren.
    1. Forberedelse af TEM-gitter
      1. Brug en mikropipette til forsigtigt at fordele ca. 2 μL af NP-metalopslæmningen på et TEM-gitter belagt med en tynd kulstoffilm oven på et tyndt kobbergitter. Lad opløsningsmidlet fordampe naturligt ved stuetemperatur (RT).
        BEMÆRK: Til indsamling af TEM-billeder blev der anvendt en accelererende spænding på 200 kV og en elektronpistolstrøm på ~ 100 μA. Mikrografierne blev indsamlet ved forskellige forstørrelser på 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 50 nm, 100 nm og 200 nm. TEM-analyse blev brugt til at finde ud af størrelsen og formen af NP'erne.
  3. SEM-analyse
    BEMÆRK: Overflademorfologien af de laserablerede NS'er og deposition/sammensætning af de laserablerede NP'er på de blotte Si/NS'er blev undersøgt ved hjælp af FESEM. Et typisk fotografi af en laserableret NS-prøve af metal/halvleder/legering er vist i figur 6.
    1. Forberedelse af SEM-prøve: Til SEM-karakterisering af NP'er deponeres en lille dråbe af NP's suspension på en renset siliciumskive, der fungerer som prøveholder. Tør derefter prøven ved RT.
    2. Brug metallet NS'er direkte til FESEM-karakterisering uden yderligere forberedelse til overflademorfologi.
      BEMÆRK: Til indsamling af FESEM-billeder var elektronhøjspændingen 3-5 kV, og arbejdsafstanden var typisk 5-7 mm ved forskellige forstørrelser på 5.000x, 10.000x, 20.000x, 50.000x og 100.000x.
  4. XRD-analyse
    BEMÆRK: XRD er en almindeligt anvendt teknik til karakterisering af krystalstrukturen og krystalkvaliteten af NP'er.
    1. XRD prøve forberedelse
      1. Drop cast 50-100 μL af NP-suspensionen på et glasglas. Tilsæt forsigtigt dråberne til midten af en glasprøve dråbe for dråbe. Tilføj dråberne langsomt på samme sted for at sikre, at NP'erne fordeles på glasset for at opnå XRD-data af god kvalitet.
        BEMÆRK: Dataene blev indsamlet fra 3°-90° med en trinstørrelse på 0,01° over en varighed på ~1 time. Den anvendte røntgenbølgelængde var 1,54 A°, generatorspændingen var 40 kV, og rørstrømmen var 30 mA.
      2. Derefter tørres prøven ved RT for at opnå en homogen, tynd film af NP'er.
    2. XRD dataanalyse
      1. Analyser XRD-toppositionerne med Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS) Cards. Hvert JCPDS-kort indeholder oplysninger om et specifikt materiales krystalstruktur, gitterparametre og XRD-mønster.

4. Anvendelse af de nationale parlamenter/nationale agenturer

  1. Raman-analyse
    1. Indledningsvis indsamles de ønskede analysandmolekylers Raman-spektre i pulverform. Analyser de indsamlede Raman-data for at identificere spektraltoppene svarende til analysandmolekylets vibrationstilstande.
  2. Forberedelse af stamopløsning
    1. Analysandmolekylernes opløselighed i det valgte opløsningsmiddel bekræftes. Derefter fremstilles stamopløsninger af analysandmolekylerne med nøjagtigt vejede eller målte mængder.
    2. For eksempel at fremstille en 50 mM stamopløsning af methylenblåt (MB) molekyle i 5 ml ethanol:
      1. Beregn den nødvendige mængde MB-pulver ved hjælp af formlen: masse = koncentration (i mM) x volumen (i L) x molekylvægt (i g / mol). I dette tilfælde masse = 50 mM x 0,005 L x 319 g / mol = 0,7995 g eller ca. 800 mg.
      2. Afvej 800 mg MB pulver ved hjælp af en digital vægt. Tilsæt pulveret til en ren glasflaske.
      3. Tilsæt solvens til flasken og ryst kraftigt for at opløse pulveret. Luk flaskehætten tæt og bland opløsningen grundigt.
  3. Raman dataindsamling
    1. Raman-spektrene opsamles ved at deponere en 10 μL dråbe stamopløsning på et stykke rent siliciumskive. Figur 7A viser fotografiet af et bærbart Raman-spektrometer med en 785 nm laserexcitation.
  4. Præparation af analysandmolekyle
    1. Brug en mikropipette til at fortynde stamopløsningen til forskellige koncentrationer ved at tilsætte en passende mængde solvens til en række hætteglas af glas afhængigt af det relevante koncentrationsområde.
    2. Serien af fortyndinger fremstilles fra en 50 mM stamopløsning til en slutkoncentration ved hjælp af formlen C kendt x Vkendt = C ukendt x Vukendt.
  5. Forberedelse af SERS-substrat
    1. For at forberede et SERS-substrat ved hjælp af NP'er skal du deponere en lille dråbe NP'er på en ren siliciumoverflade og lade den tørre. Derefter anbringes en lille dråbe af det ønskede analysandmolekyle på det NP-belagte siliciumsubstrat. Figur 7B indeholder et skema over fremstillingen af SERS-substrater ved hjælp af NP'er, hybrid- og metal-NS'er.
  6. SERS spektre samling
    1. Indsaml SERS-data ved hjælp af et bærbart Raman-spektrometer med en 785 nm laserexcitationskilde. Analysandmolekylets Raman-toppe sammenlignes med spektrene med referencestandarderne (pulver og stamopløsning).
  7. SERS dataanalyse
    1. Behandl de opnåede Raman- og SERS-spektre til baggrundskorrektion, subtraktion af fluorescenssignaler, udjævning af signalet og baselinekorrektion.
      1. Importer tekstfilen til ORIGIN-softwaren, og følg derefter trinnene: analyse > peak- og baseline-> peak-analysator > åben dialog > subtrahere baseline > next > user defined > tilføje basislinjekorrektionspunkt > udført > finish.
        BEMÆRK: Man kan skrive deres eget Matlab/Python program for at opnå dette.
    2. Analysér de resulterende toppe med hensyn til deres positioner og intensiteter ved at placere læseren/annotationspunktet på toppen (i ORIGIN).
    3. Tildel toppene til deres tilsvarende Raman-vibrationstilstandsopgaver baseret på deres spektrale egenskaber ved at indsamle Raman-spektret, litteraturundersøgelsen og/eller densitetsfunktionsteorien (DFT) beregninger.
  8. Beregning af følsomhed
    1. Beregn forbedringsfaktorskalaen (EF), defineret som forholdet mellem Raman-signalintensiteten opnået fra det aktive SERS-substrat og det, der opnås fra det ikke-plasmoniske substrat for en specifik Raman-tilstand af analysandmolekylet.
  9. Grænse for detektion
    1. Udfør kvantitativ SERS-analyse ved hjælp af en lineær kalibreringskurve, som repræsenterer forholdet mellem koncentrationen af målanalysanden og dens målte Raman-signalintensitet.
      Detektionsgrænse (LOD) = 3 x (baggrundsstøjens standardafvigelse)/(kalibreringskurvens hældning).
  10. Reproducerbarhed
    BEMÆRK: Substratets evne til konsekvent at producere de samme eller lignende SERS-signaler for et givet analysandmolekyle under de samme eksperimentelle betingelser kaldes SERS-substratets reproducerbarhed.
    1. Beregn den relative standardafvigelse (RSD) som følger: RSD = (standardafvigelse/middelværdi) x 100%
      BEMÆRK: Generelt anses RSD-værdier i intervallet 5%-20% for acceptable for de fleste SERS-eksperimenter, men lavere RSD-værdier er ofte ønskelige for mere kvantitative og pålidelige SERS-målinger

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Sølv NP'er blev syntetiseret via ps laser ablation i flydende teknik. Her blev der anvendt et ps-lasersystem med en pulsvarighed på ~30 ps, der opererer med en 10 Hz gentagelseshastighed og med en bølgelængde på en på 355, 532 eller 1.064 nm. Indgangsimpulsenergien blev justeret til 15 mJ. Laserimpulserne blev fokuseret ved hjælp af en plano-konveks linse med en brændvidde på 10 cm. Laserfokus skal være nøjagtigt på materialeoverfladen under laserablation, fordi laserenergien er mest koncentreret ved brændpunktet, hvor det kan forårsage den ønskede materialefjernelse. Hvis laserfokus ikke er på materialets overflade, fordeles laserenergien over et større område; Det er muligvis ikke tilstrækkeligt til fjernelse af materiale eller overfladeændringer. Det kan endelig føre til en ufuldstændig eller inkonsekvent ablation. Prøven blev oversat med 0,1 mm/s i X- og Y-retningen. Ag-målet blev nedsænket i 10 ml DI, og væskehøjden over prøven var ~ 7 mm. Generelt skal opløsningsmidlets højde være tilstrækkelig til at dække hele målmaterialet og forhindre materialet i at blive overophedet under laserablation. Hvis væskehøjden er for høj, kan den også absorbere noget af inputlaserenergien, før den når målmaterialet, hvilket fører til en reduceret ablationsmekanisme og et lavere udbytte af NP'er. Hvis væskehøjden er for lav ved højere indgangslaserenergier, kan det føre til agglomerering af NP'erne. Desuden bør det vælges således, at det ablerede materiale spredes tilstrækkeligt, og at NP'erne forhindres i agglomerering. Vægten af målet måles før og efter ablationsprocessen vil give en ide om mængden af materiale, der er fjernet. Her blev den ablerede masse anslået til at være ~ 0,37, ~ 0,38 og ~ 0,41 mg ved henholdsvis 355, 532 og 1,064 nm. Dette er vigtigt for at estimere udbyttet af de ønskede kolloide NP'er og sikre, at processen er reproducerbar under de samme eksperimentelle betingelser. Dernæst blev de syntetiserede Ag NP'er karakteriseret ved UV-synlig absorptionsspektroskopi. Denne metode måler mængden af lys, der absorberes af NP'erne ved forskellige bølgelængder i de UV-synlige nær infrarøde (NIR) områder af spektret. Absorptionsspektrene opnået fra UV-synlig spektroskopi kan bruges til at bestemme NP'ernes lokaliserede overfladeplasmonresonans (LSPR). LSPR er en kollektiv svingning af elektroner i NP'erne, hvilket resulterer i en absorptionstop i det UV-synlige område.

Figur 8A viser absorptionsspektrene for Ag kolloide NP'er opnået ved ps-laserablation af Ag i DW ved forskellige bølgelængder (355 nm, 532 nm og 1,064 nm). Spektrene afslører, at overfladeplasmonresonanstoppene (SPR) for de resulterende NP'er var placeret ved ~ 420 nm, ~ 394 nm og ~ 403 nm for NP'erne opnået ved henholdsvis 355 nm, 532 nm og 1.064 nm. NP'ernes absorbans steg med faldende laserbølgelængde. Dette kan tilskrives de højere niveauer af selvabsorption af laserimpulserne ved lavere bølgelængder. Figur 8B illustrerer de normaliserede absorbansspektre for Ag-Au legering NP'er med forskellige sammensætninger. SPR-toppositionen skiftede fra 410 nm til 519 nm med en stigning i Au-procenten fra 0% til 100%. Figur 8C viser en korrelation mellem SPR-toppositionen og Au-molfraktionen i Ag-Au-legerings-NP'er. Dette forhold giver et nyttigt værktøj til at forudsige SPR-toppositionen for Ag-Au-legerings-NP'er med forskellige sammensætninger, hvilket kan hjælpe med design og syntese af NP'er med specifikke optiske egenskaber. Endvidere blev TEM-undersøgelser udført for at undersøge størrelsen og formen af Ag-NP'er. Figur 9A-C viser TEM-billederne af Ag-NP'er i DW ved henholdsvis 355 nm, 532 nm og 1.064 nm. Formen af Ag NP'er var sfærisk, og størrelsesfordelingen af Ag NP'er i DW er vist i figur 9D-F. De gennemsnitlige størrelser af Ag NP'erne var henholdsvis ~ 12,4 nm ± 0,27 nm, ~ 23,9 nm ± 1,0 nm og ~ 25 nm ± 0,7 nm ved henholdsvis 355 nm, 532 nm og 1,064 nm. Den gennemsnitlige størrelse af Ag NP'er fremstillet med 1.064 nm laserlys var større end for dem, der blev fremstillet med 355 nm og 532 nm laserimpulser. Det er blevet rapporteret, at stigningen i NP-størrelser med stigende bølgelængde formodentlig var sameksistensen af LAL og selvabsorptionen af laserlys af kolloide metalpartikler, der forårsager laserfragmentering i væsker (LFL). Endvidere blev typiske XRD-mønstre af Ag-NP'er på glasglas registreret (figur 10). 2theta-positionerne henviser til de vinkler, hvor et krystallinsk materiale diffrakterer røntgenstrålerne. Vinklen måles mellem den indfaldende røntgenstråle og detektoren og udtrykkes i grader. Topmaksima er placeret ved 38,4°, 44,6°, 64,7° og 77,7° og svarer til Bragg-refleksionerne af Ag fra planerne med møllerindeks (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1) og (2 2 2). De bemærkede toppe matches med JCPDS-filnummer Ag: 03-0921 med en ansigtscentreret kubisk struktur.

Endvidere er de typiske FESEM-mikrografier af Ag NP-deponeret Si, enkeltliniet laserableret Si, krydsmønstret på Si og laserableret jern (Fe) i acetonemorfologier tilvejebragt, som er vist i figur 11. Afhængigt af lasermaterialeinteraktionen kan morfologien af substratstrukturerne, såsom LIPSS / Groove / krusninger osv., Dannes. Typiske FESEM-billeder af stjerneformede Au NP'er deponeret på de nøgne Si- og laserablerede krydsmønstrede Si-overflader er afbildet i figur 12. Fordelingen af AU-NP'erne på bare Si er vist i figur 12A. Figur 12B-D viser fordelingen af Au nanostjerner på den laserablerede Si-overflade. Figur 12B viser fordelingen på den ikke-interagerede overflade, mens figur 12C,D illustrerer FESEM-billederne af lasermønstrede Si-mikro-/nanostrukturer med fordelingen af AU-NP'er.

Derefter blev anvendelsen af de laserablerede NP'er / NS'er i SERS-undersøgelser udført. Raman- og SERS-substratpræparatet (med og uden NP'er) og samlingen af de tilsvarende Raman- og SERS-spektre af MB er vist i figur 13. Forbedringen af Raman-toppene i MB-molekylet blev tydeligt observeret selv i en koncentration på 5 μM, hvilket er 20.000 gange mindre end den koncentration, der blev anvendt til Raman - 100 mM (stamopløsning). MB-molekylet Raman-toppe blev forbedret i nærvær af NP'er sammenlignet med dem uden NP'er. Figur 14A-C illustrerer den opnåede SERS-intensitet af MB, NB og thiram ved hjælp af det lasermønstrede silicium (ved forskellige pulstal ved varierende scanningshastighed og mønster): (i) Si_5L, (ii) Si_5C, (iii) Si_0,5L og (iv) Si_0,5C med Au nanostjerner. Raman-forbedringen af de tre molekyler bemærkes fra Si NS'erne, og også reproducerbarheden verificeres fra 15 forskellige steder fra fire substrater. Histogramplottet i figur 14D med RSD for Si_5L, Si_5C, Si_0.5L og Si_0.5C afslører, at Si NS'erne med stjernesubstrater viste et bedre SERS-signal over hele området.

Figure 1
Figur 1: Skematisk og rutediagram over ultrahurtig laserablation . (A) Typisk rutediagram over spordetektion ved hjælp af ultrahurtige laserablerede NP'er/NS'er via SERS. (B) Skematisk oversigt over ultrahurtig laserablation i væske. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Fotografier af forskellige laserablationseksperimenter. (A) Fotografier af (a) LAL af Au i luft og (b) LAL af Ag-målet i en guldsaltopløsning (HAuCl4) (det viste lyspunkt er plasmaet). (B) Fotografier af laserablation under forskellige fokuseringsforhold med en (a) plano-konveks linse, (b) axicon linse og (c) cylindrisk linse. Her er der typisk en 7 mm væskehøjde for 10 ml opløsning ved 500 μJ for den plano-konvekse linse, 3 mm højde for 5 ml opløsning for Bessel-strålen og 10 mm højde for 10 ml for den cylindriske linse. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Fotografier af fs laserablation. (A) Fotografi af (a) fs-laserablationsopsætningen og de resulterende (b) metal-NP'er (under laserablation) og (c) metal-NS'er (efter laserablation) ved hjælp af den plano-konvekse linse. (B) Fotografi af (a) fs laserablation ved hjælp af axicon-objektivet og et (b) zoomet billede af fotografiet. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Fotografier af fs laserablation i væske på forskellige tidspunkter ved hjælp af den plano-konvekse linse . (A) 1 min, (B) 5 min, (C) 20 min. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Fotografier af laserablerede kolloide NP'er. (A) Au NP'er ved forskellige energier (μJ): (a) 200, (b) 300, (c) 400 og (d) 500 ved fs laserablation i DW. (B) (a) Ag NP'er, (b) Au NP'er og (c) Cu NP'er af fs LAL i DW. C) Aggregerede AU-NP'er (fs-laserablation i DW) i forskellige koncentrationer af NaCl (mM): a) 1, b) 10, c) 50, d) 100, e) 500 mM og f) 1 M32. (D) (a) ren Ag, (b) Ag 50 Au50og (c) ren Au ved ps laserablation i NaCl. E) Legerings-NP'er: a) ren Ag, b) Ag 70 Au 30, c) Ag 50 Au 50, d) Ag 30 Au 70 og e) ren Au ved ps-laserablation i kolloide NP'er i destilleret vand. F) Legerings-NP'er: a) Ag 60 Au 40, b) Ag 50 Au50, c) Ag 40 Au 60, d) Ag30 Au 70 og (e) Ag20Au80 ved fs laserablation i acetone. (G) NP'er af metallegeringer: (a) Cu_Au, (b) Ag_Au og (c) Ag_Cu. (H) NP'er af halvlederlegeringer: (a) Au_TiO 2, (b) Ag-SiO 2 og (c) Au_SiO 2 NP'er Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Fotografi af fs laserablede NP'er. (A) Ag, (B) Au, (C) Cu, (D) Si og (E-H) Ag-Au legerings-NP'er med forskellige forhold mellem Ag og Au. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Forberedelse af SERS-substrat . (A) Foto af det bærbare Raman-spektrometer. B) Skematisk fremstilling af SERS-substratet ved anvendelse af 1) kolloide metal-NP'er, 2) NS'er af stift metal og 3) hybridsubstrat (NS'er + NP'er). Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 8
Figur 8: Absorptionsspektre. (A) Absorptionsspektre af ps laserablerede Ag NP'er i DW ved hjælp af forskellige laserbølgelængder. (B) Normaliserede UV-synlige absorptionsspektre af ps laser (1064 nm)-ablerede Au-Ag NP'er: (i) ren Ag, (ii) Ag 70 Au 30, (iii) Ag 50 Au50, (iv) Ag30 Au70og (v) ren Au. (C) Skift i SPR-toppositionen med stigende Au-procent i Ag-Au-legerings-NP'er. Panelerne B og C er gengivet med tilladelse fra Byram et al33. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 9
Figur 9: TEM-billeder og deres respektive størrelseshistogrammer af Ag NP'er fremstillet i DW ved hjælp af 30 ps laserimpulser. (A,D) 355 nm, (B,E) 532 nm og (C,F) 1,064 nm. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 10
Figur 10: XRD-mønster af ps (1.064 nm) laserablerede Ag NP'er i DW. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 11
Figur 11: FESEM-billeder . (A) Ag-Au legering NP'er deponeret Si. (B) Enkelt linje ablation af Si. (C) Krydsmønstret ablation på Si. (D) Fe NS'er i acetone ved anvendelse af fs laserablation. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 12
Figur 12: FESEM-billeder. (A) Au nanostjerner på den nøgne Si. (B-D) Au NP'er dekoreret på forskellige områder af laserableret Si: (B) område af uforarbejdet Si med gendeponerede Si NP'er, (C) inden for kanalen skrevet ved hjælp af laserimpulser og (D) ved kanten af kanalen med pigge. Denne figur er gengivet med tilladelse fra Moram et al.34. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 13
Figur 13: Raman- og SERS-spektre af MB-molekylet. Skematisk oversigt over Raman- og SERS-spektresamling med forberedelse og de typiske opnåede Raman- (MB: 100 mM, rød farve) og SERS-spektre (5 μM, grønne farver) af MB-molekylet Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 14
Figur 14: SERS-spektre. (A) MB: 1,6 ppb, (B) NB: 1,8 ppb, og (C) thiram: 0,1 ppm ved hjælp af stjerneformede Au NP'er på lineær og krydsmønstret Si ved hjælp af fs-laserablation i luften ved forskellige scanningshastigheder-5 mm/s og 0,5 mm/s: (i) almindelig Si, (ii) Si_5 mm/s -lineær, (iii) Si_5 mm/s-krydset, iv) Si_0,5 mm/s-lineær og (v) Si_0,5 mm/s-krydset. MB, NB og thiram molekylære strukturer er også vist som en indsats af figurerne. (D) Histogram af fremtrædende topintensitetsvariation fra 15 tilfældige steder fra alle fire Si-substrater med Au-nanostjerner. Denne figur er gengivet med tilladelse fra Moram et al.34. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ved ultralydrensning nedsænkes materialet, der skal rengøres, i en væske, og højfrekvente lydbølger påføres væsken ved hjælp af en ultralydsrenser. Lydbølgerne forårsager dannelse og implosion af små bobler i væsken, hvilket genererer intens lokal energi og tryk, der løsner og fjerner snavs og andre forurenende stoffer fra materialets overflade. I laserablation blev en Brewster-polarisator og en halvbølgepladekombination brugt til at indstille laserenergien; Polarisatoren placeres typisk før halvbølgepladen. Polarisatoren, som er monteret på en roterende montering, tillader kun lysbølger af en specifik polarisering at passere igennem, mens de reflekterer lysbølger med en vinkelret polarisering. Lyset, der passerer gennem polarisatoren, kommer derefter ind i halvbølgepladen, som roterer polariseringen af det transmitterede lys med 90 °. Da prøven blev ableret i luften, blev der kun dannet NS'er. Men når prøven var sikkert fastgjort til bunden af et rent glasbægerglas, fyldt med det tilsigtede volumen væske og ableret i væske, blev både NP'er og NS'er dannet. Den del af prøven, der blev ableret af laseren, indeholder NS'er, mens det ablerede materiale dispergeret i den omgivende væske består af NP'er. LAL er en proces, hvor ultrakorte laserimpulser er rettet mod en prøve nedsænket i en væske, hvilket forårsager lokaliseret fordampning af materialet. Dette resulterer i dannelsen af NP'er og NS'er i et enkelt trin.

LAL har flere fordele i forhold til andre NPs syntesemetoder. Det er hurtigt, effektivt, skalerbart og fri for overfladeaktive stoffer. Derudover kan valget af opløsningsmiddel, koncentrationen af målmaterialet i opløsningsmidlet og tilstedeværelsen af overfladeaktive stoffer eller stabilisatorer også påvirke NP-synteseprocessen og bør derfor nøje overvejes og kontrolleres. Behandlings- og laserparametrene (laserfluens, bølgelængde, pulsvarighed, gentagelseshastighed) kan justeres for at kontrollere størrelsen, formen, sammensætningen og overfladeegenskaberne af de producerede NP'er. Afhængigt af materialet afhænger penetrationsdybden og materialets ablationstærskel af den indfaldende laserbølgelængde. Alle parametre vil påvirke udbyttet af NP'er/morfologi af NS'er. Dette kontrolniveau gør det muligt at skræddersy nanomaterialers egenskaber, så de opfylder de specifikke krav til forskellige anvendelser. Farven på metal NP'er er en primær og enkel indikation af deres størrelse og form samt det materiale, de er lavet af3. Når lys interagerer med metal-NP'er, absorberer elektronerne i metallet og udsender lyset igen ved bestemte bølgelængder, hvilket fører til den observerede farve. LAL-teknikken bruger bulkmål, som er billigere end salte, der anvendes i den vådkemiske teknik. Desuden genereres farligt affald under den kemiske proces. Selvom den vådkemiske teknik har lavere initialinvesteringsomkostninger sammenlignet med LAL-teknikken, kræver sidstnævnte en højere initialinvestering. Imidlertid falder omkostningerne ved LAL gradvist over tid og bliver i sidste ende billigere på grund af de lavere omkostninger ved reaktanter2. I øjeblikket har mange virksomheder over hele verden lanceret startups med fokus på kommercialisering af produkter syntetiseret ved hjælp af laserteknologi. Som eksempler kan nævnes IMRA (USA), Particular GmbH (Tyskland) og Zhongke Napu New Materials Co. Ltd. (Kina)35.

For nylig er der udført mange undersøgelser for at opnå overlegne SERS-substrater ved hjælp af ultrahurtige laserteknikker. Yu et al.8 har for nylig rapporteret en hybrid superhydrofob / hydrofil SERS-platform ved fs laserablation og detekteret R6G med en EF på ~ 1013. Dipanjan et al. har rapporteret dannelsen af stigelignende laserinducerede periodiske overfladestrukturer (LIPSS) på Ag-Au-Cu ved hjælp af fs Bessel-stråleablation og med succes detekteret to eksplosive spor (tetryl og pentaerythritoltetranitrat) (200 nM)31. Verma et al. har brugt teknikken LAL og fremstillet Au-Pd core@shell NP'er af LAL og brugt dem i eksplosiv (PA -10-7 og AN-10-8) spordetektion36. Verma et al. har igen udnyttet Au NP'er deponeret på lasertekstureret Sn og detekteret PA i en koncentration på 0,37 μM og AN ved 2,93 nM37.

Under SERS-målinger, når et lille volumen NP'er tabes på et substrat og lades tørre, opstår der en spontan hydrodynamisk proces, hvilket skaber et lokalt strømningsfelt inden for dråben. Denne strøm bærer NP'erne til kanten af dråben, hvilket resulterer i et fænomen kendt som "kaffering" -effekten, hvor et tæt udvalg af NP'er akkumuleres ved kanten af dråben i stedet for at være jævnt fordelt overalt. Mens denne naturlige proces kan øge antallet af hot spots, kan det også påvirke reproducerbarheden af SERS-signalerne8. Aflejringen af NP'er på substratet afhænger af kontaktvinklen mellem opløsningsmidlet og overfladen. Befugtningsadfærden af substratet kan ændres ved at indstille laserbehandlingsparametrene i laserablationsteknikken. Mangababu et al.24 har vist, at kontaktvinklen for GaAs laserablation kan variere i forskellige omgivende væsker, såsom destilleret vand, ethanol og polyvinylalkohol. En anden mulig måde at undgå kafferingseffekten på er at opvarme substratet til f.eks. 70 °C og derefter dropstøbe analysanden, så den tørrer meget hurtigt.

EF er en vigtig faktor til karakterisering af ydeevnen af det aktive SERS-substrat, og det afhænger af forskellige faktorer, såsom substratets morfologi, analytens molekylære geometri, excitationsbølgelængde og polarisering af excitationslaseren. Den elementære eksponering afhænger også af analysandmolekylets orientering i forhold til det lokale felt, substratets orientering i forhold til den indfaldende laserretning og tykkelsen af analysandlaget på substratet. EF estimeres ved hjælp af den enkle relation EF = (I SERS x I R)/(C R x C SERS), hvor I SERS er Raman-signalintensiteten med NP'er på Si/FP, IR er Raman-intensiteten på Si/FP (uden NP'er), C SERS er koncentrationen af prøven på NP-substrater (lav koncentration), og C R er koncentrationen af prøven (0,1 M), der frembringer Raman-signalet (IR)30,32,34. En række standarder med kendte koncentrationer af analysandmolekylet måles, og Raman-signalintensiteten af den mest fremtrædende top plottes mod koncentrationen. Hældningen af den resulterende linje repræsenterer følsomheden af SERS-målingen, og skæringspunktet repræsenterer baggrundssignalet. Detektionsgrænsen (LOD), som er den mindste koncentration af målanalysanden, der kan påvises pålideligt, estimeres ud fra den lineære kalibreringskurve. Herfra kan vi estimere følsomheden af det forberedte SERS-substrat. Flere SERS-målinger blev udført på det samme substrat forskellige steder, og intensitetsværdierne for den mest fremtrædende top blev noteret. RSD er en almindeligt anvendt måling til at karakterisere reproducerbarheden og pålideligheden af SERS-signaler. Det defineres som standardafvigelsesforholdet (SD) mellem et sæt målinger og middelværdien udtrykt i procent. RSD er et mål for variabiliteten af SERS-signalerne, og det giver information om målingernes præcision. En lav RSD-værdi indikerer høj præcision og reproducerbarhed, mens en høj RSD-værdi indikerer lav præcision og høj variabilitet30,34.

At producere stjerneformede NP'er ved hjælp af LAL er udfordrende, men de har vist sig at være overlegne SERS-substrater på grund af de mange hot spots, der opstår fra de stærke elektromagnetiske felter ved de skarpe kanter / spidser19. De fleste undersøgelser har rapporteret forskelligt formet metal NP-aflejring på almindelig Si / glas38,39. Her har vi vist yderligere forbedring i følsomheden af metal-NP'er ved at bruge lasertekstureret Si i stedet for en almindelig Si-overflade. De hybride SERS-substrater, der består af laserablerede Si NS'er og kemisk syntetiserede Au-nanostjerner, udviste ~ 21 gange forbedringen af SERS-signalet sammenlignet med almindelig Si. Selv med vores lasersyntetiserede metal-NP'er kan der opnås bedre SERS-ydeevne ved at deponere dem på lasertekstureret materiale. Tidligere demonstrerede vi, at laserablerede Ag NP'er kombineret med laserablerede Ag NS'er til påvisning af 2, 4-dinitrotoluen gav en rækkefølge af stigning i EF40. Her havde vi til formål at demonstrere, at laserablerede NS'er kan bruges som en platform for enhver størrelse / form NP'er for at opnå bedre følsomhed og reproducerbarhed. Vi er overbevist om, at der er enorme muligheder for ultrahurtige laserablerede NP'er og NS'er i SERS-baserede sensorapplikationer 2,38,39,41,42,43.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Vi takker University of Hyderabad for støtte gennem Institute of Eminence (IoE) projekt UOH / IOE / RC1 / RC1-2016. IoE-tilskuddet opnået vide anmeldelse F11/9/2019-U3 (A) fra MHRD, Indien. DRDO, Indien anerkendes for at finansiere støtte gennem ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Vi anerkender School of Physics, UoH, for FESEM karakterisering og XRD faciliteter. Vi vil gerne udtrykke vores oprigtige taknemmelighed til professor SVS Nageswara Rao og hans gruppe for deres værdifulde samarbejde, bidrag og støtte. Vi vil gerne udtrykke vores påskønnelse til tidligere og nuværende laboratoriemedlemmer Dr. P Gopala Krishna, Dr. Hamad Syed, Dr. Chandu Byram, Mr. S Sampath Kumar, Ms. Ch Bindu Madhuri, Ms. Reshma Beeram, Mr. A Mangababu og Mr. K Ravi Kumar for deres uvurderlige støtte og hjælp under og efter laserablationseksperimenterne i laboratoriet. Vi anerkender det vellykkede samarbejde mellem Dr. Prabhat Kumar Dwivedi, IIT Kanpur.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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. , DuEPublico, Essen. (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. , Springer. Cham. 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

Ultrahurtig laserablation nanopartikler nanostrukturer overfladeforstærket Ramanspredning Sensing applikationer kolloider faste stoffer farlige materialer sensing analytmolekyler Ag Au Ag-Au Si nanostrukturer optimering nanopartikler optimering pulsvarigheder bølgelængder energier pulsformer skrivning geometrier on-field sensing applikationer
Ultrahurtige laserablerede nanopartikler og nanostrukturer til overfladeforbedrede Raman-spredningsbaserede sensorapplikationer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Moram, S. S. B., Rathod, J.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter