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.
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.
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.
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 halvbølgepla…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |