مقالة منهجية

جسيمات نانوية فائقة السرعة مجازة بالليزر وهياكل نانوية لتطبيقات الاستشعار القائمة على تشتت رامان المحسنة سطحيا

DOI:

10.3791/65450

⸱

يونيو 16, 2023

 ,  ,  , 
1Advanced Centre for Research in High Energy Materials (ACRHEM), DRDO Industry Academia - Centre of Excellence (DIA-COE), University of Hyderabad

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الاستئصال بالليزر فائق السرعة في السائل هو تقنية دقيقة ومتعددة الاستخدامات لتوليف المواد النانوية (الجسيمات النانوية [NPs] والهياكل النانوية [NSs]) في البيئات السائلة / الهوائية. يمكن تشغيل المواد النانوية المستأصلة بالليزر باستخدام جزيئات رامان النشطة لتعزيز إشارة رامان للتحليلات الموضوعة على NSs / NPs أو بالقرب منها.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تطورت تقنية الاستئصال بالليزر فائق السرعة في السوائل ونضجت على مدار العقد الماضي ، مع العديد من التطبيقات الوشيكة في مختلف المجالات مثل الاستشعار والحفز والطب. الميزة الاستثنائية لهذه التقنية هي تكوين الجسيمات النانوية (الغرويات) والهياكل النانوية (المواد الصلبة) في تجربة واحدة مع نبضات الليزر فائقة القصر. لقد عملنا على هذه التقنية على مدى السنوات القليلة الماضية ، والتحقيق في إمكاناتها باستخدام تقنية تشتت رامان المحسنة سطحيا (SERS) في تطبيقات استشعار المواد الخطرة. يمكن للركائز فائقة السرعة التي يتم استئصالها بالليزر (المواد الصلبة والغرويات) اكتشاف العديد من جزيئات التحليل عند مستويات التتبع / شكل الخليط ، بما في ذلك الأصباغ والمتفجرات والمبيدات الحشرية والجزيئات الحيوية. هنا ، نقدم بعض النتائج التي تحققت باستخدام أهداف Ag و Au و Ag-Au و Si. لقد قمنا بتحسين الهياكل النانوية (NSs) والجسيمات النانوية (NPs) التي تم الحصول عليها (في السوائل والهواء) باستخدام فترات نبضات مختلفة وأطوال موجية وطاقات وأشكال نبضات وهندسة كتابة. وهكذا ، تم اختبار العديد من NSs و NPs لكفاءتها في استشعار العديد من جزيئات التحليل باستخدام مطياف رامان بسيط ومحمول. هذه المنهجية ، بمجرد تحسينها ، تمهد الطريق لتطبيقات الاستشعار الميداني. نناقش البروتوكولات في (أ) توليف NPs / NSs عن طريق الاجتثاث بالليزر ، (ب) توصيف NPs / NSs ، و (ج) استخدامها في دراسات الاستشعار القائمة على SERS.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الاستئصال بالليزر فائق السرعة هو مجال سريع التطور من تفاعلات الليزر والمواد. تستخدم نبضات الليزر عالية الكثافة مع فترات النبض في نطاق الفيمتو ثانية (fs) إلى بيكو ثانية (ps) لتوليد استئصال دقيق للمواد. بالمقارنة مع نبضات الليزر النانوية الثانية (ns) ، يمكن لنبضات الليزر ps استئصال المواد بدقة ودقة أعلى نظرا لقصر مدة النبض. يمكن أن تولد أضرارا جانبية أقل ، وحطام ، وتلوث المواد المستأصلة بسبب تأثيرات حرارية أقل. ومع ذلك ، عادة ما تكون ليزر ps أغلى من ليزر ns وتحتاج إلى خبرة متخصصة للتشغيل والصيانة. تتيح نبضات الليزر فائقة السرعة تحكما دقيقا في ترسب الطاقة ، مما يؤدي إلى تلف حراري موضعي للغاية وتقليل الضرر الحراري للمواد المحيطة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي الاستئصال بالليزر فائق السرعة إلى توليد مواد نانوية فريدة (أي أن المواد الخافضة للتوتر السطحي / عوامل السد ليست إلزامية أثناء إنتاج المواد النانوية). لذلك ، يمكننا تسمية هذا بطريقة التوليف / التصنيع الخضراء1،2،3. آليات الاجتثاث بالليزر فائق السرعة معقدة. تتضمن التقنية عمليات فيزيائية مختلفة ، مثل (أ) الإثارة الإلكترونية ، (ب) التأين ، و (ج) توليد بلازما كثيفة ، مما يؤدي إلى طرد المواد من السطح4. الاجتثاث بالليزر هو عملية بسيطة من خطوة واحدة لإنتاج الجسيمات النانوية (NPs) ذات الإنتاجية العالية والتوزيع الضيق الحجم والهياكل النانوية (NSs). أجرى ناصر وآخرون مراجعة مفصلة للعوامل التي تؤثر على تخليق وإنتاج NPs من خلال طريقة الاستئصال بالليزر. غطت المراجعة جوانب مختلفة ، مثل معلمات نبضة الليزر ، وظروف التركيز ، ووسط الاستئصال. ناقشت المراجعة أيضا تأثيرها على إنتاج مجموعة واسعة من NPs باستخدام طريقة الاستئصال بالليزر في السائل (LAL). المواد النانوية المستخلصة بالليزر هي مواد واعدة ، مع تطبيقات في مجالات مختلفة مثل الحفز ، والإلكترونيات ، والاستشعار ، والطب الحيوي ، وتطبيقات تقسيم المياه6،7،8،9،10،11،12،13،14.

تشتت رامان المعزز بالسطح (SERS) هو تقنية استشعار تحليلية قوية تعزز بشكل كبير إشارة رامان من جزيئات المسبار / التحليل الممتصة على NSs / NPs المعدنية. يعتمد SERS على إثارة رنين البلازمون السطحي في NPs / NSs المعدنية ، مما يؤدي إلى ارتفاع كبير في المجال الكهرومغناطيسي المحلي بالقرب من ميزات النانو المعدنية. يتفاعل هذا المجال المحسن مع الجزيئات الممتصة على السطح ، مما يعزز بشكل كبير إشارة رامان. تم استخدام هذه التقنية للكشف عن التحليلات المختلفة ، بما في ذلك الأصباغ والمتفجرات والمبيدات الحشرية والبروتينات والحمض النووي والأدوية15،16،17. في السنوات الأخيرة ، تم إحراز تقدم كبير في تطوير ركائز SERS ، بما في ذلك استخدام NPs المعدنية ذات الأشكالالمختلفة 18,19 (القضبان النانوية ، النجوم النانوية ، والأسلاك النانوية) ، NSs الهجينة20,21 (مزيج من المعدن مع مواد أخرى مثل Si 22,23 ، GaAs 24 ، Ti 25 ، الجرافين 26 ، MOS 227 ، Fe 28، إلخ) ، بالإضافة إلى ركائز مرنة 29,30 (ورق ، قماش ، ألياف نانوية ، إلخ). وقد فتح تطوير هذه الاستراتيجيات الجديدة في الركائز إمكانيات جديدة لاستخدام SERS في مختلف التطبيقات في الوقت الحقيقي.

يناقش هذا البروتوكول تصنيع Ag NPs باستخدام ليزر ps بأطوال موجية مختلفة و NPs من سبائك Ag-Au (بنسب مختلفة من أهداف Ag و Au) المصنعة باستخدام تقنية الاجتثاث بالليزر في الماء المقطر. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إنشاء هياكل السيليكون الدقيقة / النانوية باستخدام ليزر fs على السيليكون في الهواء. تتميز NPs و NSs باستخدام الامتصاص المرئي للأشعة فوق البنفسجية (UV) ، والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) ، وحيود الأشعة السينية (XRD) ، والمجهر الإلكتروني الماسح للانبعاث الميداني (FESEM). علاوة على ذلك ، تمت مناقشة تحضير ركائز SERS وجزيئات التحليل ، تليها مجموعة أطياف Raman و SERS للجزيئات المراد تحليلها. يتم إجراء تحليل البيانات لتحديد عامل التعزيز والحساسية وقابلية استنساخ NPs / NSs المستأصل بالليزر كمستشعرات محتملة. بالإضافة إلى ذلك ، تتم مناقشة دراسات SERS النموذجية ، ويتم تقييم أداء SERS للركائز الهجينة. على وجه التحديد ، وجد أن حساسية SERS للنجوم النانوية الذهبية الواعدة يمكن تعزيزها حوالي 21 مرة باستخدام السيليكون الهيكلي بالليزر بدلا من الأسطح العادية (مثل Si / glass) كقاعدة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يظهر مخطط انسيابي بروتوكول نموذجي لتطبيق NPs أو NSs فائقة السرعة في الكشف عن تتبع الجزيئات عبر SERS في الشكل 1A.

1. توليف المعادن NPs / NSs

ملاحظة: اعتمادا على المتطلبات / التطبيق ، اختر المادة المستهدفة والسائل المحيط ومعلمات الاجتثاث بالليزر.
هنا:
المواد المستهدفة: Ag
السائل المحيط: 10 مل من DI
معلمات الليزر: 355/532/1064 نانومتر ؛ 30 حصان ؛ 10 هرتز ؛ 15 مللي جول
عدسة التركيز: عدسة محدبة مستوية (الطول البؤري: 10 سم)
معلمات المرحلة: 0.1 مم / ثانية على طول الاتجاهين X و Y

  1. تنظيف العينة قبل الاجتثاث بالليزر
    1. قم بإجراء التنظيف بالموجات فوق الصوتية (40 كيلو هرتز ، 50 واط ، 30 درجة مئوية) للسطح المستهدف باستخدام الأسيتون لمدة 15 دقيقة ، مما يزيل المواد العضوية المختلفة ، بما في ذلك الزيوت والشحوم والشموع.
    2. ثم ، قم بإخضاع السطح للتنظيف بالموجات فوق الصوتية باستخدام الإيثانول لمدة 15 دقيقة أخرى لإزالة الملوثات القطبية ، مثل الأملاح والسكريات.
    3. أخيرا ، قم بتنظيف السطح بالماء منزوع الأيونات (DW) باستخدام التنظيف بالموجات فوق الصوتية لمدة 15 دقيقة لإزالة أي آثار متبقية للمذيبات أو الملوثات من سطح العينة.
      ملاحظة: ستساعد هذه الخطوات في التخلص من أي شوائب غير مرغوب فيها قد تكون موجودة على السطح ، مما يضمن التحليل الدقيق.
  2. قياس وزن العينة
    1. قياس وزن العينة قبل الاستئصال.
    2. قم بإجراء تجربة الاستئصال بالليزر على العينة.
    3. قم بقياس وزن العينة مرة أخرى بعد تجربة الاستئصال.
    4. من خلال مقارنة وزن العينة قبل وبعد الاجتثاث ، قم بتقدير كمية المواد التي تمت إزالتها أثناء التجربة. ستكون هذه المعلومات مفيدة في تحليل خصائص المادة المجازة ، مثل تركيز وإنتاجية المنتجات المستأصلة.
  3. ضبط معلمات الليزر
    1. اضبط طاقة الليزر المدخلة بحيث تكون أكبر من عتبة الاجتثاث للعينة. هنا ، تم استخدام طاقة إدخال ~ 150 ميغاواط لاستئصال الليزر ps لهدف Ag.
      ملاحظة: تشير العتبة إلى الحد الأدنى من الطاقة لكل وحدة مساحة مطلوبة لتسخين المادة المستهدفة إلى النقطة التي يتم فيها تبخيرها وتحويلها إلى بلازما.
    2. اجمع بين المستقطب ولوحة نصف الموجة لضبط طاقة نبضة الليزر. يوضح الشكل 1B الرسم التخطيطي للاستئصال بالليزر فائق السرعة.
  4. تعديلات تركيز الليزر على سطح العينة
    1. ركز شعاع الليزر على العينة باستخدام عدسة تركيز لاستئصال سطح المادة.
    2. اضبط تركيز الليزر على العينة يدويا باستخدام مرحلة الترجمة في الاتجاه Z من خلال مراقبة البلازما الساطعة المنتجة وصوت التكسير المنبعث.
      ملاحظة: لتصور البلازما المتولدة أثناء تجارب الاجتثاث بالليزر ، يتم توفير صور لكلا التكوينين في الشكل 2A: (i) الاجتثاث بالليزر في الهواء و (ii) الاجتثاث بالليزر في السائل (LAL).
  5. أنواع مختلفة من التركيز
    ملاحظة: يمكن أن تساعد بصريات التركيز في زيادة كثافة الطاقة لشعاع الليزر (تكوين البلازما) على سطح العينة، مما يؤدي إلى استئصال أكثر كفاءة. يمكن استخدام أنواع مختلفة من بصريات التركيز ، مثل العدسات المحدبة المستوية ، axicon31 ، العدسات الأسطوانية ، إلخ.
    1. استخدم بصريات التركيز لتركيز شعاع الليزر على العينة ، اعتمادا على المتطلبات المحددة ، مثل تحقيق أعماق استئصال مختلفة ، مما يسمح بتحكم أفضل في تخليق NPs / NSs. يوضح الشكل 2B ظروف التركيز الثلاثة المستخدمة في LAL.
      ملاحظة: يتطلب ضبط تركيز الليزر على العينة في الاستئصال بالليزر احتياطات معينة لضمان السلامة والدقة.
    2. افحص وحافظ على المعدات المستخدمة لمعالجة تركيز الليزر للتأكد من أنها تعمل بشكل صحيح.
    3. اضبط تركيز الليزر بأمان ودقة لتقليل مخاطر الإصابة أو تلف المعدات.
      ملاحظة: يعتمد اختيار البعد البؤري للعدسات على المادة المستخدمة في الاستئصال بالليزر ونوع الليزر (مدة النبضة وحجم الشعاع) وكذلك حجم البقعة المطلوب على سطح العينة.
  6. منطقة المسح الضوئي للعينة
    1. ضع العينة على مراحل X-Y المتصلة بوحدة تحكم الحركة ESP. تتحرك العينة بشكل عمودي على اتجاه انتشار الليزر.
      ملاحظة: يتم استخدام وحدة التحكم في الحركة ESP لإجراء مسح نقطي للعينة في الاتجاهين X و Y لمنع الاجتثاث أحادي النقطة.
    2. اضبط سرعة المسح (عادة 0.1 مم / ثانية للحصول على عائد أفضل من NPs المعدنية) ومنطقة المعالجة بالليزر لتحسين عدد نبضات الليزر التي تتفاعل مع العينة ، لأن هذا يؤثر على إنتاجية NPs.
    3. لتحقيق الأبعاد المطلوبة ومنع الاجتثاث أحادي النقطة ، قم بإجراء النقش بالليزر أثناء مسح العينة أثناء عملية الاستئصال بالليزر.
      ملاحظة: يوضح الشكل 3A ، B صورة إعداد الاجتثاث بالليزر fs من خلال إشراك حزم Gaussian و Bessel ، على التوالي.
  7. الاجتثاث بالليزر في السائل لتوليف المعادن NPs / NSs
    1. قم بإجراء تجربة الاجتثاث بالليزر بعد إعداد جميع المتطلبات المطلوبة. اتبع الخطوات المذكورة في الخطوات من 1.1 إلى 1.6.
    2. تأكد من مراقبة طاقة الليزر والإعدادات الأخرى للتأكد من أنها تظل متسقة طوال التجربة.
    3. راقب باستمرار المادة المستهدفة أثناء تجربة الاستئصال بالليزر للتأكد من أن شعاع الليزر يظل مركزا على المنطقة المطلوبة.
      ملاحظة: يوضح الشكل 3A ، B الإعدادات التجريبية للاجتثاث بالليزر fs لتوليف NPs باستخدام شعاع Gaussian وحزمة axicon ، على التوالي. تم استخدام عدسة مستوية محدبة لتركيز نبضات الإدخال. يتضح تكوين NPs من الصور التي تم الحصول عليها في أوقات مختلفة من التجربة. يشير لون المحلول إلى تكوين NPs ، ويشير تغير اللون في المحلول إلى زيادة إنتاجية NPs (كما هو موضح في الشكل 4). يجب ارتداء نظارات السلامة بالليزر عند العمل في معمل الليزر ، باستخدام نظارات السلامة بالليزر المعتمدة فقط للحصول على الطول الموجي المناسب. أي انعكاس طائش لشعاع الليزر عالي الطاقة في العين أمر خطير للغاية ، مما يؤدي إلى ضرر لا رجعة فيه. يجب أن يظل شعاع الليزر موجها بعيدا عن جميع الأشخاص في مختبر الليزر. لم يتم إزعاج العناصر البصرية في الإعداد على الطاولة البصرية. يجب مراقبة العينة والمراحل أثناء إجراء التجارب.

2. تخزين NPs / NSs الغروية

  1. قم بتخزين NPs المركبة في زجاجات زجاجية نظيفة وتخزين NSs في حاويات محكمة الإغلاق. ضع كلاهما داخل المجفف.
    ملاحظة: يوضح الشكل 5 NPs الغروية بألوان مختلفة تم تصنيعها من خلال LAL من خلال الجمع بين السوائل والأهداف المختلفة. هنا ، يعرض الشكل 5A ، B الصور النموذجية لمختلف NPs الغروية ، بما في ذلك (i) NPs المعدنية ، Ag ، Au ، و Cu NPs في مذيبات مختلفة ، مثل DW و NaCl ؛ (ii) NPs سبائك معدنية ، Ag-Au NPs بتركيبات مختلفة ، Ag-Cu NPs ، و Au-Cu NPs ؛ و (iii) سبائك أشباه الموصلات المعدنية NPs ، التيتانيوم-Au والسيليكون-Au / Ag NPs. توضح هذه الصور مجموعة متنوعة من NPs التي يمكن تصنيعها باستخدام الطرق الغروية وتعرض الخصائص البصرية الفريدة ل NPs من سبائك أشباه الموصلات المعدنية. يعد تخزين NPs الغروية بشكل صحيح أمرا بالغ الأهمية لضمان استقرارها والحفاظ على خصائصها. تفضل الزجاجات على الحاويات البلاستيكية أو المعدنية لأنها لا تتفاعل مع NPs. يجب تخزين NPs / NSs في حاوية بغطاء محكم لتقليل التعرض للهواء وحفظها في مكان مظلم يحميها من الضوء.

3. توصيف NPs / NSs المستأصل بالليزر

ملاحظة: يعد توصيف NSs / NPs المعدنية أمرا حيويا لفهم خصائصها وضمان جودتها ، مثل الحجم والشكل والتكوين وما إلى ذلك.

  1. مطيافية الامتصاص
    ملاحظة: التحليل الطيفي للامتصاص المرئي للأشعة فوق البنفسجية هو تقنية راسخة لتوصيف NPs المعدنية. يعتبر سريعا وبسيطا وغير جراحي ، مما يجعله أداة قيمة لتحديد الخصائص المختلفة ل NPs. يرتبط موضع القمم بخصائص مختلفة ل NPs ، مثل تكوين المواد وتوزيع الحجم والشكل والوسط المحيط.
    1. تحضير العينة لدراسات الامتصاص المرئي للأشعة فوق البنفسجية
      1. قبل تسجيل الطيف ، تأكد من توزيع NPs بالتساوي وتعليقها في المحلول. املأ عينة كوفيت ب 3 مل من معلق NP وكفيت مرجعي مملوء بالمذيب الأساسي (حيث يتم تشتيت NPs). تأكد من أن الكوفيت نظيفة وخالية من الملوثات.
      2. اجمع بيانات الامتصاص (في النطاق الطيفي من 200-900 نانومتر) باستخدام حجم خطوة نموذجي يبلغ 1 نانومتر.
  2. تحليل TEM
    ملاحظة: تم فحص حجم وشكل NP الغروي بواسطة مجهر إلكتروني نافذ وتم تحليله لاحقا باستخدام البرنامج.
    1. إعداد شبكة TEM
      1. باستخدام ماصة صغيرة ، قم بتوزيع حوالي 2 ميكرولتر من تعليق NP المعدني برفق على شبكة TEM مطلية بغشاء كربوني رقيق أعلى شبكة نحاسية رقيقة. دع المذيب يتبخر بشكل طبيعي في درجة حرارة الغرفة (RT).
        ملاحظة: لجمع صور TEM ، تم استخدام جهد متسارع يبلغ 200 كيلو فولت وتيار مسدس إلكترون ~ 100 μA. تم جمع الصور المجهرية بتكبيرات مختلفة تبلغ 2 نانومتر و 5 نانومتر و 10 نانومتر و 20 نانومتر و 50 نانومتر و 100 نانومتر و 200 نانومتر. تم استخدام تحليل TEM لمعرفة حجم وشكل NPs.
  3. تحليل التسويق عبر محرك البحث
    ملاحظة: تم فحص التشكل السطحي ل NSs المستأصل بالليزر وترسيب / تكوين NPs المستأصل بالليزر على Si / NSs العارية باستخدام FESEM. يظهر الشكل 6 صورة نموذجية لعينة NS من المعدن / أشباه الموصلات / سبيكة NS المستأصلة بالليزر.
    1. تحضير عينة SEM: لتوصيف SEM ل NPs ، قم بإيداع قطرة صغيرة من تعليق NP على رقاقة سيليكون نظيفة ، والتي تعمل كحامل للعينة. ثم جفف العينة في RT.
    2. استخدم NSs المعدنية مباشرة لتوصيف FESEM دون مزيد من التحضير لمورفولوجيا السطح.
      ملاحظة: لجمع صور FESEM ، كان الجهد العالي للإلكترون 3-5 كيلو فولت وكانت مسافة العمل عادة 5-7 مم ، بتكبيرات مختلفة تبلغ 5000 × و 10000 × و 20000 × و 50000 × و 100000 ×.
  4. تحليل XRD
    ملاحظة: XRD هي تقنية شائعة الاستخدام لتوصيف البنية البلورية والجودة البلورية ل NPs.
    1. إعداد عينة XRD
      1. قم بإسقاط 50-100 ميكرولتر من تعليق NP على شريحة زجاجية. أضف القطرات بعناية إلى مركز عينة زجاجية قطرة قطرة. أضف القطرات ببطء في نفس المكان لضمان توزيع NPs على الزجاج للحصول على بيانات XRD عالية الجودة.
        ملاحظة: تم جمع البيانات من 3 ° -90 ° مع حجم خطوة من 0.01 ° على مدى مدة ~ 1 ساعة. كان الطول الموجي للأشعة السينية المستخدم 1.54 درجة ، وكان جهد المولد 40 كيلو فولت ، وكان تيار الأنبوب 30 مللي أمبير.
      2. قم بعد ذلك بتجفيف العينة في RT للحصول على طبقة رقيقة متجانسة من NPs.
    2. تحليل بيانات XRD
      1. قم بتحليل مواقع ذروة XRD باستخدام بطاقات اللجنة المشتركة لمعايير حيود المسحوق (JCPDS). تحتوي كل بطاقة JCPDS على معلومات حول البنية البلورية لمادة معينة ومعلمات الشبكة ونمط XRD.

4. تطبيق NPs / NSs

  1. تحليل رامان
    1. في البداية ، اجمع أطياف رامان لجزيئات التحليل المطلوبة في شكل مسحوق. تحليل بيانات رامان التي تم جمعها لتحديد القمم الطيفية المقابلة للأنماط الاهتزازية للجزيء المراد تحليله.
  2. إعداد حل الأسهم
    1. تأكد من ذوبانية جزيئات المادة المراد تحليلها في المذيب المختار. بعد ذلك، قم بإعداد محاليل مخزون الجزيئات المراد تحليلها بكميات وزنها أو قياسها بدقة.
    2. على سبيل المثال ، لتحضير محلول مخزون 50 مللي متر من جزيء الميثيلين الأزرق (MB) في 5 مل من الإيثانول:
      1. احسب كمية مسحوق MB المطلوبة باستخدام الصيغة: الكتلة = التركيز (بالمللي مول) × الحجم (باللتر) × الوزن الجزيئي (بالجرام / مول). في هذه الحالة ، الكتلة = 50 مللي مول × 0.005 لتر × 319 جم / مول = 0.7995 جم أو حوالي 800 مجم.
      2. قم بوزن 800 مجم من مسحوق MB باستخدام ميزان رقمي. أضف المسحوق إلى زجاجة نظيفة.
      3. أضف مذيب إلى الزجاجة واهتز بقوة لإذابة المسحوق. أغلق غطاء الزجاجة بإحكام واخلط المحلول جيدا.
  3. جمع بيانات رامان
    1. اجمع أطياف رامان لحل المخزون عن طريق إيداع قطرة 10 ميكرولتر من محلول المخزون على قطعة من رقاقة السيليكون النظيفة. يوضح الشكل 7 أ صورة مطياف رامان محمول بإثارة ليزر 785 نانومتر.
  4. تحضير جزيء التحليل
    1. باستخدام ماصة مجهرية ، قم بتخفيف محلول المخزون إلى تركيزات مختلفة عن طريق إضافة حجم مناسب من المذيب إلى سلسلة من القوارير الزجاجية اعتمادا على نطاق تركيز الاهتمام.
    2. تحضير سلسلة التخفيفات من محلول مخزون 50 mM إلى تركيز نهائي باستخدام الصيغة C المعروفة x Vالمعروفة = C غير معروفة × Vغير معروفة.
  5. إعداد الركيزة SERS
    1. لتحضير ركيزة SERS باستخدام NPs ، قم بإيداع قطرة صغيرة من NPs على سطح سيليكون نظيف واتركها حتى تجف. بعد ذلك، ضع قطرة صغيرة من جزيء المادة المراد تحليلها على ركيزة السيليكون المغلفة ب NP. يظهر رسم تخطيطي لإعداد ركائز SERS باستخدام NPs و NSs الهجينة والمعدنية في الشكل 7B.
  6. مجموعة أطياف SERS
    1. اجمع بيانات SERS باستخدام مطياف رامان محمول مع مصدر إثارة ليزر 785 نانومتر. قارن قمم رامان للجزيء المراد تحليله بالأطياف مع تلك الخاصة بالمعايير المرجعية (محلول المسحوق والمخزون).
  7. تحليل بيانات SERS
    1. معالجة أطياف Raman و SERS التي تم الحصول عليها لتصحيح الخلفية ، وطرح إشارات التألق ، وتنعيم الإشارة ، وتصحيح خط الأساس.
      1. قم باستيراد الملف النصي إلى برنامج ORIGIN ثم اتبع الخطوات: > التحليل محلل الذروة وخط الأساس > > الحوار المفتوح > طرح خط الأساس > التالي > المحدد من قبل المستخدم > إضافة نقطة تصحيح الخط الأساسي > > النهاية.
        ملاحظة: يمكن للمرء كتابة برنامج Matlab / Python الخاص به لتحقيق ذلك.
    2. قم بتحليل القمم الناتجة من حيث مواقعها وشدتها عن طريق وضع نقطة القارئ / التعليق التوضيحي على الذروة (في ORIGIN).
    3. قم بتعيين القمم لتعيينات وضع رامان الاهتزازي المقابلة لها بناء على خصائصها الطيفية من خلال جمع طيف رامان الأكبر ، ومسح الأدبيات ، و / أو حسابات نظرية الكثافة الوظيفية (DFT).
  8. حساب الحساسية
    1. احسب مقياس عامل التعزيز (EF) ، الذي يعرف بأنه نسبة شدة إشارة رامان التي تم الحصول عليها من الركيزة النشطة SERS إلى تلك التي تم الحصول عليها من الركيزة غير البلازمونية لوضع رامان محدد لجزيء التحليل.
  9. حد الكشف
    1. إجراء تحليل SERS الكمي باستخدام منحنى معايرة خطي ، والذي يمثل العلاقة بين تركيز المادة المراد تحليلها وشدة إشارة رامان المقاسة.
      حد الكشف (LOD) = 3 × (الانحراف المعياري لضوضاء الخلفية) / (ميل منحنى المعايرة).
  10. التكاثر
    ملاحظة: يشار إلى قدرة الركيزة على إنتاج نفس إشارات SERS أو إشارات مماثلة باستمرار لجزيء تحليل معين في ظل نفس الظروف التجريبية باسم قابلية استنساخ ركيزة SERS.
    1. احسب الانحراف المعياري النسبي (RSD) على النحو التالي: RSD = (الانحراف المعياري / المتوسط) × 100٪
      ملاحظة: بشكل عام، تعتبر قيم RSD في نطاق 5٪ -20٪ مقبولة لمعظم تجارب SERS، ولكن غالبا ما تكون قيم RSD المنخفضة مرغوبة لإجراء قياسات SERS أكثر كمية وموثوقية

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم تصنيع NPs الفضية عن طريق الاجتثاث بالليزر ps بتقنية السائل. هنا ، تم استخدام نظام ليزر ps بمدة نبضة ~ 30 ps يعمل بمعدل تكرار 10 هرتز وبطول موجي واحد من 355 أو 532 أو 1,064 نانومتر. تم تعديل طاقة نبضة الإدخال إلى 15 مللي جول. تم تركيز نبضات الليزر باستخدام عدسة مستوية محدبة ذات بعد بؤري يبلغ 10 سم. يجب أن يكون تركيز الليزر بالضبط على سطح المادة أثناء الاجتثاث بالليزر لأن طاقة الليزر تكون أكثر تركيزا في النقطة البؤرية ، حيث يمكن أن تتسبب في إزالة المواد المطلوبة. إذا لم يكن تركيز الليزر على سطح المادة ، يتم توز...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

في التنظيف بالموجات فوق الصوتية ، يتم غمر المواد المراد تنظيفها في سائل ويتم تطبيق موجات صوتية عالية التردد على السائل باستخدام منظف بالموجات فوق الصوتية. تتسبب الموجات الصوتية في تكوين وانفجار فقاعات صغيرة في السائل ، مما يولد طاقة وضغطا محليا مكثفا يزيح ويزيل الأوساخ والملوثات الأخرى من سطح المادة. في الاجتثاث بالليزر ، تم استخدام مستقطب بروستر ومجموعة لوحة نصف موجة لضبط طاقة الليزر. عادة ما يتم وضع المستقطب قبل لوحة نصف الموجة. يسمح المستقطب ، المثبت على حامل دوار ، بمرور موجات ضوئية فقط من استقطاب معين بينما يعكس موج...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نشكر جامعة حيدر أباد على الدعم من خلال مشروع معهد السماحة (IoE) UOH / IOE / RC1 / RC1-2016. حصلت منحة IoE على إشعار الفيديو F11 / 9 / 2019-U3 (A) من MHRD ، الهند. منظمة تطوير الابحاث الدفاعية، الهند معترف بها لدعم التمويل من خلال ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. نحن نعترف بكلية الفيزياء ، UoH ، لتوصيف FESEM ومرافق XRD. نود أن نعرب عن خالص امتناننا للبروفيسور SVS Nageswara Rao ومجموعته لمساهماتهم ودعمهم التعاوني القيم. نود أن نعرب عن تقديرنا لأعضاء المختبر السابقين والحاليين الدكتور بي جوبالا كريشنا ، والدكتور حمد سيد ، والدكتور شاندو بيرام ، والسيد إس سامباث كومار ، والسيدة تش بيندو مادهوري ، والسيدة ريشما بيرام ، والسيد أ مانجابابو ، والسيد كيه رافي كومار لدعمهم ومساعدتهم التي لا تقدر بثمن أثناء وبعد تجارب الاستئصال بالليزر في المختبر. نحن نقدر التعاون الناجح للدكتور برابهات كومار دويفيدي ، IIT Kanpur.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
سبائكصائغ الذهب المحليN / A99٪ نقي
AxiconThorlabsN / A100 ، نطاق الأشعة تحت الحمراء ، مطلي ب AR ، AX1210-B
EthanolSupelco ، الهندCAS رقم 64-17-5
ليزر فيمتو ثانيةفيمتو ثانية فيمتو ثانية   ؛ (fs)  مضخم الليزر  الميزان HE, متماسكةN / Aنبض الثبات 50 fs;
wavelenngth 800 نانومتر ؛
معدل مندوب 1 كيلو هرتز ؛
طاقة النبض: 4 مللي جول
FESEMكارل زايس ، الترا 55N / A
Gatan DM3www.gatan.comGatan Microscopy Suite 3.x
Gold Target   ؛سيجما ألدريتش ، الهند99٪ نقي
HAuCl4.3H2Oسيجما ألدريتش ، الهندCAS رقم 16961-25-4
مراحل انتقالية عالية الدقةنيوبورت سبكترا فيزياء GMBIN / AM-443 المرحلة الخطية ذات الكرة منخفضة الأداء عالية الأداء ؛
يبلغ ارتفاع المسرح 1 بوصة فقط ، ويبلغ طوله 2 بوصة من السفر.
Micro RamanHoriba Labذاكرة الوصول العشوائيN / Aصريف - 1،800 و 600 أخاديد / مم ؛
الطول الموجي للإثارة -785 نانومتر ، 632 نانومتر ، 532 نانومتر ، 325 نانومتر ؛
الأهداف 10x, 20x, 50x, 100x;
كاشف CCD
مراياEdmund OpticsN / Aمرايا مناسبة لطول موجي محدد لوحدة
التحكم في الحركةبالليزر NEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBIN / AESP300 Controller-3 محاور
التحكم في الأصلwww.originlab.com2018
ليزر بيكو ثانيةEKSPLA 2251N / Aالنبض الدائم: 30 حصان.
wavelenngth 1064 نانومتر ، 532 نانومتر ، 355 نانومتر ؛
معدل مندوب 10 هرتز ؛
طاقة النبض: 1.5 إلى 30 مللي جول
محدبة N/ Aالبعد البؤري 10 سم
رامان المحمولةi-Raman plus ،   ؛ ب & W Tek ، الولايات المتحدة الأمريكيةN / A785 نانومتر ، ~ 100 & micro ؛ م بقعة ليزر  الألياف البصرية مسبار الإثارة وجمع
رقاقة السيليكونماكوين الهند المحدودة.1 & - ندش; 10 & أوميغا ؛ -سم ، ص (100) من نوع
ملح الفضة (AgNO 3< / sub>)فينار ، الهندCAS رقم 7783-90-6   ؛
الهدف الفضيSigma-Aldrich ، الهندCAS NO 7440-22-499٪ نقي
TEMTecnai TEMN / A
TEM شبكاتSigma-Aldrich ، الهندTEM-CF200CUشبكة نحاسية مطلية بالكربون   ؛ 200 شبكة
ThiramSigma-Aldrich ، الهندCAS رقم 137-26-8
UVJasco V-670N / A
XRDبروكر D8 مقدماغير متاح
عدسة

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة