Ultrasnabb laserablation i vätska är en exakt och mångsidig teknik för att syntetisera nanomaterial (nanopartiklar [NP] och nanostrukturer [NS]) i vätske-/luftmiljöer. De laserablerade nanomaterialen kan funktionaliseras med Raman-aktiva molekyler för att förstärka Raman-signalen från analyter placerade på eller nära NS/NP.
Tekniken för ultrasnabb laserablation i vätskor har utvecklats och mognat under det senaste decenniet, med flera förestående tillämpningar inom olika områden som avkänning, katalys och medicin. Det exceptionella med denna teknik är bildandet av nanopartiklar (kolloider) och nanostrukturer (fasta ämnen) i ett enda experiment med ultrakorta laserpulser. Vi har arbetat med denna teknik under de senaste åren och undersökt dess potential med hjälp av SERS-tekniken (Surface-Enhanced Raman Scattering) i avkänningsapplikationer för farliga material. Ultrasnabba laserablerade substrat (fasta ämnen och kolloider) kan detektera flera analytmolekyler på spårnivåerna/blandningsformen, inklusive färgämnen, sprängämnen, bekämpningsmedel och biomolekyler. Här presenterar vi några av de resultat som uppnåtts med hjälp av målen Ag, Au, Ag-Au och Si. Vi har optimerat de nanostrukturer (NS) och nanopartiklar (NP) som erhålls (i vätskor och luft) med hjälp av olika pulslängder, våglängder, energier, pulsformer och skrivgeometrier. Således testades olika NS och NP för deras effektivitet när det gäller att känna av många analytmolekyler med hjälp av en enkel, bärbar Raman-spektrometer. Denna metod, när den väl har optimerats, banar väg för avkänningsapplikationer på fältet. Vi diskuterar protokollen för att (a) syntetisera NP/NS via laserablation, (b) karakterisera NP/NS och (c) deras användning i de SERS-baserade avkänningsstudierna.
Ultrasnabb laserablation är ett snabbt växande område för laser-materialinteraktioner. Högintensiva laserpulser med pulslängder i femtosekund (fs) till pikosekund (ps) används för att generera exakt materialablation. Jämfört med nanosekund (ns) laserpulser kan ps-laserpulser ablatera material med högre precision och noggrannhet på grund av deras kortare pulslängd. De kan generera mindre sidoskador, skräp och kontaminering av det ablerade materialet på grund av färre termiska effekter. PS-lasrar är dock vanligtvis dyrare än ns-lasrar och kräver specialiserad expertis för drift och underhåll. De ultrasnabba laserpulserna möjliggör exakt kontroll över energideponeringen, vilket leder till mycket lokala och minimerade termiska skador på det omgivande materialet. Dessutom kan ultrasnabb laserablation leda till generering av unika nanomaterial (dvs. ytaktiva ämnen/kapsyleringsmedel är inte obligatoriska vid tillverkning av nanomaterial). Därför kan vi benämna detta som en grön syntes/tillverkningsmetod 1,2,3. Mekanismerna för ultrasnabb laserablation är invecklade. Tekniken involverar olika fysikaliska processer, såsom (a) elektronisk excitation, (b) jonisering och (c) generering av ett tätt plasma, vilket resulterar i att material kastas ut från ytan4. Laserablation är en enkel enstegsprocess för att producera nanopartiklar (NP) med högt utbyte, smal storleksfördelning och nanostrukturer (NS). Naser et al.5 genomförde en detaljerad genomgång av de faktorer som påverkar syntesen och produktionen av NP genom laserablationsmetoden. Granskningen omfattade olika aspekter, såsom parametrarna för en laserpuls, fokuseringsförhållanden och ablationsmediet. Granskningen diskuterade också deras inverkan på produktionen av ett brett spektrum av NP med hjälp av laserablation i vätska (LAL) -metoden. De laserablerade nanomaterialen är lovande material, med tillämpningar inom olika områden som katalys, elektronik, avkänning och biomedicinska, vattenspjälkande tillämpningar 6,7,8,9,10,11,12,13,14.
Ytförstärkt Raman-spridning (SERS) är en kraftfull analytisk avkänningsteknik som avsevärt förbättrar Raman-signalen från sond-/analytmolekyler som adsorberas på metalliska NS/NPs. SERS är baserad på excitation av ytplasmonresonanser i metalliska NPs/NSs, vilket resulterar i en signifikant ökning av det lokala elektromagnetiska fältet nära de metalliska nanoegenskaperna. Detta förbättrade fält interagerar med molekylerna som adsorberas på ytan, vilket avsevärt förstärker Raman-signalen. Denna teknik har använts för att detektera olika analyter, inklusive färgämnen, sprängämnen, bekämpningsmedel, proteiner, DNA och droger15,16,17. Under de senaste åren har betydande framsteg gjorts i utvecklingen av SERS-substrat, inklusive användningen av olikformade metalliska NP 18,19 (nanostavar, nanostjärnor och nanotrådar), hybrid-NS20,21 (en kombination av metallen med andra material som Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafen 26, MOS227, Fe 28, etc.), samt flexibla substrat29,30 (papper, tyg, nanofiber, etc.). Att utveckla dessa nya strategier i substraten har öppnat upp nya möjligheter för att använda SERS i olika realtidsapplikationer.
Detta protokoll diskuterar tillverkningen av Ag NP med hjälp av en ps-laser vid olika våglängder och Ag-Au-legerings-NP (med olika förhållanden av Ag- och Au-mål) tillverkade med laserablationsteknik i destillerat vatten. Dessutom skapas mikro/nanostrukturer av kisel med hjälp av en fs-laser på kisel i luften. Dessa NP och NS karakteriseras med hjälp av ultraviolett (UV)-synlig absorption, transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD) och fältemissionssvepelektronmikroskopi (FESEM). Vidare diskuteras framställning av SERS-substrat och analytmolekyler, följt av insamling av Raman- och SERS-spektra av analytmolekylerna. Dataanalys utförs för att bestämma förstärkningsfaktorn, känsligheten och reproducerbarheten hos de laserablerade NP/NS:erna som potentiella sensorer. Dessutom diskuteras typiska SERS-studier och SERS-prestanda för hybridsubstrat utvärderas. Specifikt har det visat sig att de lovande guldnanostjärnornas SERS-känslighet kan förbättras cirka 21 gånger genom att använda laserstrukturerat kisel istället för släta ytor (som Si/glas) som bas.
Vid ultraljudsrengöring nedsänks materialet som ska rengöras i en vätska och högfrekventa ljudvågor appliceras på vätskan med hjälp av en ultraljudsrengörare. Ljudvågorna orsakar bildning och implosion av små bubblor i vätskan, vilket genererar intensiv lokal energi och tryck som lossar och tar bort smuts och andra föroreningar från materialets yta. Vid laserablation användes en Brewster-polarisator och en kombination av halvvågsplattor för att ställa in laserenergin; Polarisatorn placeras vanligtvis f…
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar University of Hyderabad för stöd genom Institute of Eminence (IoE) projektet UOH/IOE/RC1/RC1-2016. IoE-bidraget erhölls enligt meddelande F11/9/2019-U3(A) från MHRD, Indien. DRDO, Indien är erkänt för finansieringsstöd genom ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Vi tackar School of Physics, UoH, för FESEM-karakteriseringen och XRD-anläggningarna. Vi vill rikta ett stort tack till Prof SVS Nageswara Rao och hans grupp för deras värdefulla samarbete, bidrag och stöd. Vi vill uttrycka vår uppskattning till tidigare och nuvarande laboratoriemedlemmar Dr. P Gopala Krishna, Dr. Hamad Syed, Dr. Chandu Byram, Mr. Sampath Kumar, Ms. Ch Bindu Madhuri, Ms. Reshma Beeram, Mr. A Mangababu och Mr. K Ravi Kumar för deras ovärderliga stöd och hjälp under och efter laserablationsexperimenten i labbet. Vi erkänner det framgångsrika samarbetet med 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 |