JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Engineering

Ultrafast laser-ablerte nanopartikler og nanostrukturer for overflateforbedrede Raman-spredningsbaserte sensorapplikasjoner

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

Ultrafast laserablasjon i væske er en presis og allsidig teknikk for syntetisering av nanomaterialer (nanopartikler [NP] og nanostrukturer [NS]) i væske / luftmiljøer. De laserablerte nanomaterialene kan funksjonaliseres med Raman-aktive molekyler for å forbedre Raman-signalet fra analytter plassert på eller i nærheten av NS / NP.

Abstract

Teknikken for ultrafast laserablasjon i væsker har utviklet seg og modnet i løpet av det siste tiåret, med flere forestående applikasjoner på ulike felt som sensing, katalyse og medisin. Den eksepsjonelle egenskapen til denne teknikken er dannelsen av nanopartikler (kolloider) og nanostrukturer (faste stoffer) i et enkelt eksperiment med ultrakorte laserpulser. Vi har jobbet med denne teknikken de siste årene, og undersøkt potensialet ved hjelp av overflateforbedret Raman-spredning (SERS) -teknikk i applikasjoner for håndtering av farlige materialer. Ultrafast laser-ablated substrater (faste stoffer og kolloider) kunne oppdage flere analyttmolekyler på spornivåer / blandingsform, inkludert fargestoffer, eksplosiver, plantevernmidler og biomolekyler. Her presenterer vi noen av resultatene som er oppnådd ved hjelp av målene til Ag, Au, Ag-Au og Si. Vi har optimalisert nanostrukturer (NS) og nanopartikler (NP) oppnådd (i væsker og luft) ved hjelp av forskjellige pulsvarigheter, bølgelengder, energier, pulsformer og skrivegeometrier. Dermed ble forskjellige NS-er og NP-er testet for deres effektivitet ved å registrere mange analyttmolekyler ved hjelp av et enkelt, bærbart Raman-spektrometer. Denne metoden, når den er optimalisert, baner vei for sensorapplikasjoner på feltet. Vi diskuterer protokollene i (a) syntetisering av NP / NSer via laserablasjon, (b) karakterisering av NP / NS, og (c) deres bruk i SERS-baserte sensorstudier.

Introduction

Ultrafast laser ablation er et raskt utviklende felt av laser-materiale interaksjoner. Laserpulser med høy intensitet med pulsvarighet i femtosekund (fs) til picosekund (ps) -området brukes til å generere presis materialablasjon. Sammenlignet med nanosekund (ns) laserpulser, kan ps-laserpulser ablate materialer med høyere presisjon og nøyaktighet på grunn av deres kortere pulsvarighet. De kan generere mindre sikkerhetsskader, rusk og forurensning av det ablerte materialet på grunn av færre termiske effekter. Imidlertid er ps-lasere vanligvis dyrere enn ns-lasere og trenger spesialisert kompetanse for drift og vedlikehold. De ultrasnelle laserpulsene muliggjør presis kontroll over energiavsetningen, noe som fører til svært lokalisert og minimert termisk skade på det omkringliggende materialet. I tillegg kan ultrafast laserablasjon føre til generering av unike nanomaterialer (dvs. overflateaktive midler / kappemidler er ikke obligatoriske under produksjon av nanomaterialer). Derfor kan vi betegne dette som en grønn syntese/fabrikasjonsmetode 1,2,3. Mekanismene for ultrafast laserablasjon er intrikate. Teknikken involverer forskjellige fysiske prosesser, for eksempel (a) elektronisk eksitasjon, (b) ionisering og (c) generering av et tett plasma, noe som resulterer i utstøting av materiale fra overflaten4. Laserablasjon er en enkel enkelttrinnsprosess for å produsere nanopartikler (NP) med høyt utbytte, smal størrelsesfordeling og nanostrukturer (NS). Naser et al.5 gjennomførte en detaljert gjennomgang av faktorene som påvirker syntesen og produksjonen av NP gjennom laserablasjonsmetoden. Gjennomgangen dekket ulike aspekter, for eksempel parametrene til en laserpuls, fokuseringsforhold og ablasjonsmediet. Gjennomgangen diskuterte også deres innvirkning på å produsere et bredt spekter av NP ved bruk av laserablasjon i væske (LAL) -metoden. De laserablerte nanomaterialene er lovende materialer, med applikasjoner innen ulike felt som katalyse, elektronikk, sensing og biomedisinske, vannsplittingsapplikasjoner 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

Overflateforbedret Raman-spredning (SERS) er en kraftig analytisk sensingteknikk som betydelig forbedrer Raman-signalet fra sonde / analyttmolekyler adsorbert på metalliske NS / NP. SERS er basert på eksitering av overflateplasmonresonanser i metalliske NP / NS, noe som resulterer i en betydelig økning i det lokale elektromagnetiske feltet nær metalliske nanofunksjoner. Dette forbedrede feltet samhandler med molekylene som er adsorbert på overflaten, og forbedrer Raman-signalet betydelig. Denne teknikken har blitt brukt til å oppdage forskjellige analytter, inkludert fargestoffer, eksplosiver, plantevernmidler, proteiner, DNA og narkotika15,16,17. I de senere år har det blitt gjort betydelige fremskritt i utviklingen av SERS-substrater, inkludert bruk av forskjellig formede metalliske NP 18,19 (nanoroder, nanostjerner og nanotråder), hybrid NSs20,21 (en kombinasjon av metallet med andre materialer som Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafen 26, MOS227, Fe 28, etc.), samt fleksible underlag29,30 (papir, klut, nanofiber, etc.). Utvikling av disse nye strategiene i substratene har åpnet nye muligheter for bruk av SERS i ulike sanntidsapplikasjoner.

Denne protokollen diskuterer fabrikasjon av Ag NP ved bruk av en ps-laser ved forskjellige bølgelengder og Ag-Au-legerings-NP (med forskjellige forhold mellom Ag- og Au-mål) fremstilt ved hjelp av laserablasjonsteknikk i destillert vann. I tillegg lages mikro/nanostrukturer i silisium ved hjelp av en fs-laser på silisium i luften. Disse NPene og NSene karakteriseres ved hjelp av ultrafiolett (UV) -synlig absorpsjon, transmisjonselektronmikroskopi (TEM), røntgendiffraksjon (XRD) og feltutslippsskanning elektronmikroskopi (FESEM). Videre diskuteres fremstilling av SERS-substrater og analyttmolekyler, etterfulgt av innsamling av Raman- og SERS-spektra av analyttmolekylene. Dataanalyse utføres for å bestemme forbedringsfaktoren, følsomheten og reproduserbarheten til de laserablerte NPene / NSene som potensielle sensorer. I tillegg diskuteres typiske SERS-studier, og SERS-ytelsen til hybridsubstrater evalueres. Spesielt har det blitt funnet at de lovende gullnanostjernenes SERS-følsomhet kan forbedres omtrent 21 ganger ved å bruke laserstrukturert silisium i stedet for vanlige overflater (som si / glass) som base.

Protocol

Et typisk protokollflytskjema for anvendelse av ultrafast ablated NP eller NS i spordeteksjon av molekyler via SERS er vist i figur 1A. 1. Syntetisering av metall-NP / NS-er MERK: Avhengig av kravet/applikasjonen, velg målmaterialet, den omkringliggende væsken og laserablasjonsparametrene.Her:Mål materialer: AgOmkringliggende væske: 10 ml DILaser parametere: 355/532/1064 nm; 30 hk; 10 Hz; 15 m…

Representative Results

Sølv NP ble syntetisert via ps laserablasjon i flytende teknikk. Her ble det brukt et ps-lasersystem med en pulsvarighet på ~30 hk som opererer med en 10 Hz repetisjonsfrekvens og med en bølgelengde på en på 355, 532 eller 1,064 nm. Inngangspulsenergien ble justert til 15 mJ. Laserpulsene ble fokusert ved hjelp av en plano-konveks linse med en brennvidde på 10 cm. Laserfokuset skal være nøyaktig på materialoverflaten under laserablasjon fordi laserenergien er mest konsentrert ved fokuspunktet, hvor det …

Discussion

Ved ultralydrengjøring er materialet som skal rengjøres, nedsenket i en væske og høyfrekvente lydbølger påføres væsken ved hjelp av en ultralydrenser. Lydbølgene forårsaker dannelse og implosjon av små bobler i væsken, og genererer intens lokal energi og trykk som løsner og fjerner smuss og andre forurensninger fra overflaten av materialet. I laserablasjon ble en Brewster-polarisator og en halvbølgeplatekombinasjon brukt til å justere laserenergien; Polarisatoren er vanligvis plassert før halvbølgeplaten…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker University of Hyderabad for støtte gjennom Institute of Eminence (IoE) prosjektet UOH / IOE / RC1 / RC1-2016. IoE-tilskuddet innhentet vide melding F11/9/2019-U3(A) fra MHRD, India. DRDO, India er anerkjent for finansieringsstøtte gjennom ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Vi anerkjenner School of Physics, UoH, for FESEM karakterisering og XRD fasiliteter. Vi ønsker å uttrykke vår oppriktige takknemlighet til professor SVS Nageswara Rao og hans gruppe for deres verdifulle samarbeidsbidrag og støtte. Vi ønsker å uttrykke vår takknemlighet til tidligere og nåværende lab medlemmer 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 uvurderlig støtte og assistanse under og etter laser ablation eksperimenter i laboratoriet. Vi anerkjenner det vellykkede samarbeidet 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

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