表面増強ラマン散乱ベースのセンシングアプリケーションのための超高速レーザーアブレーションナノ粒子およびナノ構造
Summary
液体中での超高速レーザーアブレーションは、液体/空気環境でナノ材料(ナノ粒子[NP]およびナノ構造[NS])を合成するための正確で用途の広い技術です。レーザーアブレーションされたナノ材料は、ラマン活性分子で官能基化して、NS/NP上またはその近くに配置された分析種のラマンシグナルを増強することができます。
Abstract
液体中の超高速レーザーアブレーション技術は、過去10年間で進化し成熟し、センシング、触媒、医療などのさまざまな分野でいくつかの差し迫ったアプリケーションがあります。この技術の優れた特徴は、超短レーザーパルスを使用した1回の実験でナノ粒子(コロイド)とナノ構造(固体)を形成できることです。私たちは過去数年間、この技術に取り組んでおり、危険物センシングアプリケーションにおける表面増強ラマン散乱(SERS)技術を使用してその可能性を調査してきました。超高速レーザーアブレーションされた基質(固体およびコロイド)は、色素、爆発物、農薬、生体分子など、微量レベル/混合物の形でいくつかの分析種分子を検出できます。ここでは、Ag、Au、Ag-Au、Siをターゲットとして得られた成果の一部を紹介します。私たちは、液体と空気中で得られたナノ構造(NS)とナノ粒子(NP)を、異なるパルス幅、波長、エネルギー、パルス形状、書き込み形状を用いて最適化しました。そのため、さまざまな NS および NP が、シンプルでポータブルなラマン分光計を使用して多数の分析種分子を感知する効率についてテストされました。この手法は、いったん最適化されれば、オンフィールドセンシングアプリケーションへの道を開きます。(a)レーザーアブレーション による NP / NSの合成、(b)NP / NSの特性評価、および(c)SERSベースのセンシング研究におけるそれらの利用のプロトコルについて説明します。
Introduction
超高速レーザーアブレーションは、急速に進化しているレーザーと材料の相互作用の分野です。フェムト秒(fs)からピコ秒(ps)の範囲のパルス幅を持つ高強度レーザーパルスを使用して、正確な材料アブレーションを生成します。ナノ秒(ns)レーザーパルスと比較して、psレーザーパルスはパルス幅が短いため、より高い精度と精度で材料を切除できます。熱影響が少ないため、アブレーションされた材料の付随的な損傷、破片、および汚染が少なくなります。しかし、psレーザーは通常、nsレーザーよりも高価であり、操作とメンテナンスには専門的な専門知識が必要です。超短パルスレーザーパルスにより、エネルギー堆積を正確に制御できるため、周囲の材料への熱損傷を高度に局所化し、最小限に抑えることができます。さらに、超高速レーザーアブレーションは、独自のナノ材料の生成につながる可能性があります(つまり、ナノ材料の製造中に界面活性剤/キャッピング剤は必須ではありません)。したがって、これをグリーン合成/製造方法と呼ぶことができます1,2,3。超高速レーザーアブレーションのメカニズムは複雑です。この技術は、(a)電子励起、(b)イオン化、および(c)高密度プラズマの生成などの異なる物理的プロセスを含み、その結果、表面4から材料が放出される。レーザーアブレーションは、高収率、狭い粒度分布、およびナノ構造(NS)を持つナノ粒子(NP)を製造するためのシンプルなシングルステッププロセスです。Naserら5は、レーザーアブレーション法によるNPの合成と産生に影響を与える要因の詳細なレビューを実施しました。レビューでは、レーザーパルスのパラメータ、集光条件、アブレーション媒体など、さまざまな側面が取り上げられました。また、このレビューでは、液体中のレーザーアブレーション(LAL)法を使用した幅広いNPの作製への影響についても説明しました。レーザーアブレーションナノ材料は有望な材料であり、触媒、エレクトロニクス、センシング、生物医学、水分解用途などのさまざまな分野での用途があります6,7,8,9,10,11,12,13,14。
表面増強ラマン散乱(SERS)は、金属NS/NPに吸着されたプローブ/分析物分子からのラマン信号を大幅に増強する強力な分析センシング技術です。この強化された磁場は、表面に吸着された分子と相互作用し、ラマンシグナルを大幅に増強します。この手法は、色素、爆発物、農薬、タンパク質、DNA、薬物など、さまざまな分析種の検出に使用されています15,16,17。近年、SERS基板の開発は大きく進歩しており、異形金属NP18,19(ナノロッド、ナノスター、ナノワイヤ)、ハイブリッドNS20,21(金属とSi 22,23、GaAs 24、Ti 25、グラフェン26、MOS 227、Fe 28などの他の材料との組み合わせ)の使用が進んでいますなど)、ならびにフレキシブル基板29、30(紙、布、ナノファイバーなど)も含まれる。これらの新しい戦略を基板で開発することで、さまざまなリアルタイムアプリケーションでSERSを使用するための新しい可能性が開かれました。
このプロトコルは蒸留水のレーザーの切除の技術を使用して製造される異なった波長およびAg-Auの合金NPsの(AgおよびAuターゲットの異なった比率と)のpsレーザーを使用してAg NPsの製作を論議する。さらに、シリコンマイクロ/ナノ構造は、空気中のシリコン上にfsレーザーを使用して作成されます。これらのNPおよびNSは、紫外(UV)可視吸収、透過型電子顕微鏡(TEM)、X線回折(XRD)、および電界放出型走査電子顕微鏡(FESEM)を使用して特性評価されます。さらに、SERS基質と分析種分子の調製について説明し、続いて分析種分子のラマンスペクトルとSERSスペクトルを収集します。データ解析を行い、レーザーアブレーションしたNP/NSのポテンシャルセンサーとしてのエンハンスメント係数、感度、再現性を決定します。さらに、典型的なSERS研究について議論し、ハイブリッド基板のSERS性能を評価します。具体的には、有望な金ナノスターのSERS感度は、Si/ガラスなどの平坦な表面ではなく、レーザー構造のシリコンをベースにすることで約21倍に向上することがわかってきました。
Protocol
Representative Results
Discussion
超音波洗浄では、洗浄対象物を液体に浸漬し、超音波洗浄機を用いて高周波音波を液体に印加する。音波は、液体中の小さな気泡の形成と爆縮を引き起こし、強い局所エネルギーと圧力を生成して、材料の表面から汚れやその他の汚染物質を取り除き、除去します。レーザーアブレーションでは、ブリュースター偏光子と半波長板の組み合わせを使用してレーザーエネルギーを調整しました?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ハイデラバード大学には、Institute of Eminence(IoE)プロジェクトUOH/IOE/RC1/RC1-2016を通じた支援に感謝します。IoE助成金は、インドのMHRDから通知F11/9/2019-U3(A)を取得しました。DRDOは、ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]を通じて資金援助を受けている。私たちは、FESEMの特性評価とXRD施設について、UoHの物理学部に感謝します。SVS Nageswara Rao教授と彼のグループの貴重なコラボレーションの貢献とサポートに心から感謝します。過去および現在の研究室メンバーであるP Gopala Krishna博士、Hamad Syed博士、Chandu Byram博士、S Sampath Kumar氏、Ch Bindu Madhuri氏、Reshma Beeram氏、A Mangababu氏、K Ravi Kumar氏には、研究室でのレーザーアブレーション実験中および実験後に貴重なサポートと支援をいただき、感謝の意を表します。私たちは、IITカーンプールのPrabhat Kumar Dwivedi博士のコラボレーションの成功を認めます。
Materials
| Alloys | Local goldsmith | N/A | 99% pure |
| Axicon | Thorlabs | N/A | 100, IR range, AR coated, AX1210-B |
| Ethanol | Supelco, India | CAS No. 64-17-5 | |
| Femtosecond laser | femtosecond (fs) laser amplifier Libra HE, Coherent | N/A | Pulse duraction 50 fs; wavelenngth 800 nm; Rep rate 1 KHz; Pulse Energy: 4 mJ |
| FESEM | Carl ZEISS, Ultra 55 | N/A | |
| Gatan DM3 | www.gatan.com | Gatan Microscopy Suite 3.x | |
| Gold target | Sigma-Aldrich, India | 99% pure | |
| HAuCl4.3H2O | Sigma-Aldrich, India | CAS No. 16961-25-4 | |
| High resolution translational stages | Newport SPECTRA PHYSICS GMBI | N/A | M-443 High-Performance Low-Profile Ball Bearing Linear Stage; The stage is only 1 inch high, and has 2 inches of travel. |
| Micro Raman | Horiba LabRAM | N/A | Grating-1,800 and 600 grooves/mm; Wavelength of excitation-785 nm,632 nm, 532 nm, 325 nm; Objectives 10x, 20x, 50 x, 100x; CCD detector |
| Mirrors | Edmund Optics | N/A | Suitable mirrors for specific wavelength of laser |
| Motion controller | NEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBI | N/A | ESP300 Controller-3 axes control |
| Origin | www.originlab.com | Origin 2018 | |
| Picosecond laser | EKSPLA 2251 | N/A | Pulse duraction 30ps; wavelenngth 1064 nm, 532 nm, 355 nm; Rep rate 10 Hz; Pulse Energy: 1.5 to 30 mJ |
| Planoconvex lens | N/A | focal length 10 cm | |
| Raman portable | i-Raman plus, B&W Tek, USA | N/A | 785 nm, ~ 100 µm laser spot fiber optic probe excitation and collection |
| Silicon wafer | Macwin India Ltd. | 1–10 Ω-cm, p (100)-type | |
| Silver salt (AgNO3) | Finar, India | CAS No. 7783-90-6 | |
| Silver target | Sigma-Aldrich, India | CAS NO 7440-22-4 | 99% pure |
| TEM | Tecnai TEM | N/A | |
| TEM grids | Sigma-Aldrich, India | TEM-CF200CU | Copper Grid Carbon Coated 200 mesh |
| Thiram | Sigma-Aldrich, India | CAS No. 137-26-8 | |
| UV | Jasco V-670 | N/A | |
| XRD | Bruker D8 advance | N/A |
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