מאמר שיטה

ננו-חלקיקים וננו-מבנים מהירים במיוחד בלייזר עבור יישומי חישה מבוססי פיזור ראמאן משופרים בפני השטח

DOI:

10.3791/65450

⸱

16 ביוני 2023

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

במאמר זה

סיכום

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

אבלציה מהירה במיוחד בלייזר בנוזל היא טכניקה מדויקת ורב-תכליתית לסינתזה של ננו-חומרים (ננו-חלקיקים [NPs] וננו-מבנים [NSs]) בסביבות נוזל/אוויר. ננו-חומרים בלייזר יכולים להיות פונקציונליים עם מולקולות פעילות ראמאן כדי לשפר את אות הרמאן של אנליטים הממוקמים על או ליד NSs/NPs.

תקציר

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

הטכניקה של אבלציה בלייזר אולטרה-מהירה בנוזלים התפתחה והבשילה בעשור האחרון, עם מספר יישומים צפויים בתחומים שונים כגון חישה, קטליזה ורפואה. התכונה יוצאת הדופן של טכניקה זו היא היווצרות של ננו-חלקיקים (קולואידים) וננו-מבנים (מוצקים) בניסוי יחיד עם פולסי לייזר קצרים במיוחד. אנו עובדים על טכניקה זו בשנים האחרונות, וחוקרים את הפוטנציאל שלה באמצעות טכניקת פיזור ראמאן משופרת פני השטח (SERS) ביישומי חישה של חומרים מסוכנים. מצעי לייזר מהירים במיוחד (מוצקים וקולואידים) יכולים לזהות מספר מולקולות אנליטיות ברמות הקורט/צורת התערובת, כולל צבעים, חומרי נפץ, חומרי הדברה וביומולקולות. כאן, אנו מציגים חלק מהתוצאות שהושגו באמצעות המטרות של Ag, Au, Ag-Au ו- Si. ביצענו אופטימיזציה של ננו-מבנים (NSs) וננו-חלקיקים (NPs) המתקבלים (בנוזלים ובאוויר) באמצעות משכי פולס שונים, אורכי גל, אנרגיות, צורות פולסים וגיאומטריות כתיבה. לפיכך, NSs ו- NPs שונים נבדקו על יעילותם בחישה של מולקולות אנליטיות רבות באמצעות ספקטרומטר ראמאן פשוט ונייד. מתודולוגיה זו, לאחר המיטוב, סוללת את הדרך ליישומי חישה בשטח. אנו דנים בפרוטוקולים ב-(א) סינתזה של NPs/NSs באמצעות אבלציה בלייזר, (ב) אפיון של NPs/NSs, ו-(ג) השימוש בהם במחקרי חישה מבוססי SERS.

מבוא

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

אבלציה בלייזר אולטרה-מהירה היא תחום מתפתח במהירות של אינטראקציות לייזר-חומר. פולסי לייזר בעוצמה גבוהה עם משכי פולס בטווח הפמטו-שנייה (fs) עד פיקו-שנייה (ps) משמשים ליצירת אבלציה מדויקת של חומר. בהשוואה לפעימות לייזר ננו-שניות (ns), פולסי לייזר PS יכולים לעבד חומרים בדיוק ודיוק גבוהים יותר בשל משך הפולס הקצר שלהם. הם יכולים ליצור פחות נזק אגבי, פסולת וזיהום של החומר ablated עקב פחות השפעות תרמיות. עם זאת, לייזרי ps הם בדרך כלל יקרים יותר מלייזרים ns וזקוקים למומחיות מיוחדת לתפעול ותחזוקה. פעימות הלייזר האולטרה-מהירות מאפשרות שליטה מדויקת על שקיעת האנרגיה, מה שמוביל לנזק תרמי מקומי וממוזער מאוד לחומר שמסביב. בנוסף, אבלציה מהירה במיוחד בלייזר יכולה להוביל ליצירת ננו-חומרים ייחודיים (כלומר, חומרים פעילי שטח / חומרי מכסה אינם חובה במהלך הייצור של ננו-חומרים). לכן, אנו יכולים לקרוא לזה שיטת סינתזה/ייצור ירוקה 1,2,3. המנגנונים של אבלציה לייזר אולטרה מהירה מורכבים. הטכניקה כוללת תהליכים פיזיקליים שונים, כגון (א) עירור אלקטרוני, (ב) יינון, ו-(ג) יצירת פלזמה צפופה, הגורמת לפליטת חומר מפני השטח4. אבלציה בלייזר היא תהליך פשוט בן שלב אחד לייצור ננו-חלקיקים (NPs) בעלי תפוקה גבוהה, פיזור גודל צר וננו-מבנים (NS). נאסר ואחרים ערכו סקירה מפורטת של הגורמים המשפיעים על הסינתזה והייצור של NPs באמצעות שיטת אבלציה בלייזר. הסקירה כיסתה היבטים שונים, כגון פרמטרים של פולס לייזר, תנאי מיקוד ומדיום האבלציה. הסקירה דנה גם בהשפעתם על ייצור מגוון רחב של NPs באמצעות שיטת אבלציה בלייזר בנוזל (LAL). ננו-חומרים בלייזר הם חומרים מבטיחים, עם יישומים בתחומים שונים כגון קטליזה, אלקטרוניקה, חישה ויישומים ביו-רפואיים, פיצול מים 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

פיזור ראמאן משופר פני השטח (SERS) היא טכניקת חישה אנליטית רבת עוצמה המשפרת באופן משמעותי את אות הרמאן ממולקולות בדיקה/אנליט הנספגות על NSs/NPs מתכתיים. SERS מבוסס על עירור תהודה פלסמונית פני השטח בNPs / NSs מתכתיים, מה שמביא לעלייה משמעותית בשדה האלקטרומגנטי המקומי ליד תכונות הננו המתכתיות. שדה משופר זה מקיים אינטראקציה עם המולקולות הנספגות על פני השטח, מה שמשפר באופן משמעותי את אות הרמאן. טכניקה זו שימשה לזיהוי אנליטים שונים, כולל צבעים, חומרי נפץ, חומרי הדברה, חלבונים, DNA וסמים15,16,17. בשנים האחרונות חלה התקדמות משמעותית בפיתוח מצעי SERS, כולל שימוש ב-NPs מתכתיים בעלי צורה שונה 18,19 (ננו-מוטות, ננו-כוכבים וננו-חוטים), NSsהיברידיים 20,21 (שילוב של המתכת עם חומרים אחרים כגון Si22,23, GaAs 24, Ti 25, גרפן 26, MOS227, Fe 28וכו'), וכן מצעים גמישים29,30 (נייר, בד, ננופייבר וכו'). פיתוח אסטרטגיות חדשות אלה במצעים פתח אפשרויות חדשות לשימוש ב- SERS ביישומים שונים בזמן אמת.

פרוטוקול זה דן בייצור NPs Ag באמצעות לייזר ps באורכי גל שונים ו- NPs מסגסוגת Ag-Au (עם יחסים שונים של מטרות Ag ו- Au) המיוצרים באמצעות טכניקת אבלציה בלייזר במים מזוקקים. בנוסף, מיקרו/ננו-מבנים מסיליקון נוצרים באמצעות לייזר fs על סיליקון באוויר. NPs ו- NSs אלה מאופיינים בבליעה נראית אולטרה סגולה (UV), מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת (TEM), עקיפה של קרני רנטגן (XRD) ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק פליטת שדה (FESEM). יתר על כן, נדונה הכנת מצעי SERS ומולקולות אנליטיות, ולאחר מכן איסוף ספקטרום ראמאן ו- SERS של מולקולות האנליט. ניתוח הנתונים מבוצע כדי לקבוע את גורם השיפור, הרגישות ויכולת השחזור של NPs/NSs עם ABLATED לייזר כחיישנים פוטנציאליים. בנוסף, נדונים מחקרי SERS טיפוסיים, ומוערכים ביצועי SERS של מצעים היברידיים. באופן ספציפי, נמצא כי ניתן לשפר את רגישות SERS של ננו-כוכבי הזהב המבטיחים בערך פי 21 על ידי שימוש בסיליקון מובנה לייזר במקום משטחים רגילים (כגון Si/glass) כבסיס.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

תרשים זרימה טיפוסי של פרוטוקול של היישום של NPs או NSs מהירים במיוחד בזיהוי עקבות של מולקולות באמצעות SERS מוצג באיור 1A.

1. סינתזה של NPs / NSs מתכתיים

הערה: בהתאם לדרישה/יישום, בחר את חומר היעד, את הנוזל שמסביב ואת פרמטרי האבלציה בלייזר.
הנה:
חומרי יעד: Ag
נוזל מסביב: 10 מ"ל של DI
פרמטרים לייזר: 355/532/1064 ננומטר; 30 ps; 10 הרץ; 15 מ"ג
עדשת מיקוד: עדשה פלאנו-קמורה (אורך מוקד: 10 ס"מ)
פרמטרי שלב: 0.1 מ"מ לשנייה לאורך כיווני X ו- Y

  1. ניקוי לדוגמה לפני אבלציה בלייזר
    1. בצע ניקוי קולי (40 קילוהרץ, 50 W, 30 ° C) של משטח המטרה באמצעות אצטון במשך 15 דקות, אשר מסיר חומרים אורגניים שונים, כולל שמנים, שומנים ושעווה.
    2. לאחר מכן, יש להעביר את פני השטח לניקוי אולטראסוני עם אתנול למשך 15 דקות נוספות כדי להסיר מזהמים קוטביים, כגון מלחים וסוכרים.
    3. לבסוף, נקו את פני השטח עם מים נטולי יונים, (DW) באמצעות ניקוי אולטראסוני למשך 15 דקות כדי להסיר עקבות שנותרו של ממסים או מזהמים מפני השטח של הדגימה.
      הערה: צעדים אלה יסייעו לחסל זיהומים לא רצויים שעשויים להיות נוכחים על פני השטח, הבטחת ניתוח מדויק.
  2. מדידת משקל הדגימה
    1. למדוד את משקל הדגימה לפני אבלציה.
    2. בצע את ניסוי אבלציה בלייזר על הדגימה.
    3. מדדו שוב את משקל הדגימה לאחר ניסוי האבלציה.
    4. על ידי השוואת משקל הדגימה לפני ואחרי אבלציה, להעריך את כמות החומר שהוסר במהלך הניסוי. מידע זה יהיה שימושי בניתוח התכונות של החומר ablated, כגון ריכוז ותשואה של מוצרים ablated.
  3. התאמת פרמטרי הלייזר
    1. התאם את עוצמת לייזר הקלט כך שהיא תהיה גדולה מסף האבלציה של הדגימה. כאן, כוח קלט של ~ 150 mW שימש עבור אבלציה לייזר ps של המטרה Ag.
      הערה: הסף מתייחס לאנרגיה המינימלית ליחידת שטח הנדרשת לחימום חומר המטרה עד לנקודה שבה הוא מתאדה ומומר לפלזמה.
    2. שלב מקטב וצלחת חצי גל כדי להתאים את אנרגיית פולס הלייזר. איור 1B מראה את הסכימה של אבלציה אולטרה-מהירה בלייזר.
  4. התאמות מיקוד לייזר על משטח הדגימה
    1. מקדו את קרן הלייזר על הדגימה באמצעות עדשת מיקוד כדי לעבד את פני החומר.
    2. התאם את מיקוד הלייזר בדגימה באופן ידני באמצעות שלב תרגום בכיוון Z על ידי התבוננות בפלזמה הבהירה המופקת ובצליל הפיצוח הבוקע.
      הערה: כדי להמחיש את הפלזמה שנוצרה במהלך ניסויי אבלציה בלייזר, התצלומים של שתי התצורות מוצגים באיור 2A: (i) אבלציה בלייזר באוויר ו-(ii) אבלציה בלייזר בנוזל (LAL).
  5. סוגים שונים של מיקוד
    הערה: מיקוד אופטיקה יכול לסייע בהגדלת צפיפות האנרגיה של קרן הלייזר (היווצרות פלזמה) על פני הדגימה, מה שמוביל לאבלציה יעילה יותר. ניתן להשתמש באופטיקה ממוקדת מסוגים שונים, כגון עדשות פלנו-קמורות, אקסיקון31, עדשות גליליות ועוד.
    1. השתמשו באופטיקת מיקוד כדי למקד את קרן הלייזר על הדגימה, בהתאם לדרישות הספציפיות, כמו השגת עומקי אבלציה שונים, המאפשרים שליטה טובה יותר על הסינתזה של NPs/NSs. איור 2B מראה את שלושת תנאי המיקוד שבהם נעשה שימוש ב-LAL.
      הערה: התאמת מיקוד הלייזר לדגימה באבלציה בלייזר דורשת אמצעי זהירות מסוימים כדי להבטיח בטיחות ודיוק.
    2. בדוק ותחזק את הציוד המשמש לתפעל את מיקוד הלייזר כדי לוודא שהוא פועל כראוי.
    3. כוונן את מיקוד הלייזר בבטחה ובדייקנות כדי למזער את הסיכון לפציעה או נזק לציוד.
      הערה: בחירת אורך המוקד של העדשות תלויה בחומר המשמש לאבלציה בלייזר, סוג הלייזר (משך פולס, גודל הקרן) וגם גודל הספוט הרצוי במשטח הדגימה.
  6. אזור הסריקה של הדגימה
    1. מקם את הדגימה על שלבי X-Y המחוברים לבקר תנועה ESP. הדגימה נעה בניצב לכיוון התפשטות הלייזר.
      הערה: בקר התנועה ESP משמש לביצוע סריקת רסטר של הדגימה בכיווני X ו- Y למניעת אבלציה חד-נקודתית.
    2. התאם את מהירות הסריקה (בדרך כלל 0.1 מ"מ לשנייה לקבלת תפוקה טובה יותר של NPs מתכתיים) ואת אזור עיבוד הלייזר כדי למטב את מספר פולסי הלייזר המקיימים אינטראקציה עם הדגימה, מכיוון שהדבר משפיע על התפוקה של NPs.
    3. כדי להשיג את הממדים הרצויים ולמנוע אבלציה נקודתית אחת, בצעו תבניות לייזר תוך כדי סריקת הדגימה בתהליך אבלציה בלייזר.
      הערה: איור 3A, B ממחיש את תצלום מערך אבלציה בלייזר fs על-ידי הפעלת קרני גאוסיאן וסל, בהתאמה.
  7. אבלציה בלייזר בנוזל כדי לסנתז NPs מתכת / NSs
    1. בצע ניסוי אבלציה בלייזר לאחר הגדרת כל הדרישות הרצויות. בצע את השלבים המוזכרים בשלבים 1.1-1.6.
    2. הקפד לנטר את עוצמת הלייזר והגדרות אחרות כדי להבטיח שהן יישארו עקביות לאורך כל הניסוי.
    3. התבונן ברציפות בחומר המטרה במהלך ניסוי אבלציה בלייזר כדי להבטיח שקרן הלייזר תישאר ממוקדת באזור הרצוי.
      הערה: איור 3A,B מראה את מערכי הניסוי של אבלציה בלייזר fs לסינתזה של NPs באמצעות קרן גאוס וקרן אקסיקון, בהתאמה. עדשה פלנו-קמורה שימשה למיקוד פעימות הקלט. היווצרות NPs ניכרת מהתמונות שהתקבלו בזמנים שונים של הניסוי. צבע התמיסה מצביע על היווצרות NPs, ושינוי צבע בתמיסה מצביע על תפוקה הולכת וגדלה של NPs (המתוארים באיור 4). יש להרכיב משקפי בטיחות לייזר בעת העבודה במעבדת הלייזר, תוך שימוש רק במשקפי בטיחות לייזר מאושרים לאורך הגל המתאים. כל השתקפות תועה של קרן הלייזר בעוצמה גבוהה לתוך העין מסוכנת ביותר, וכתוצאה מכך נגרם נזק בלתי הפיך. קרן הלייזר צריכה להיות מכוונת הרחק מכל האנשים במעבדת הלייזר. האלמנטים האופטיים במערך לא הופרעו על השולחן האופטי. יש לעקוב אחר הדגימה והשלבים בזמן ביצוע הניסויים.

2. אחסון NPs/NSs קולואידים

  1. אחסנו את NPs המסונתזים בבקבוקי זכוכית נקיים ואחסנו NSs במיכלים אטומים. מניחים את שניהם בתוך מייבש.
    הערה: איור 5 מראה NPs קולואידים של צבעים שונים המסונתזים באמצעות LAL על-ידי שילוב נוזלים ומטרות שונות. כאן, איור 5A,B מציג את התצלומים האופייניים של NPs קולואידים שונים, כולל (i) NPs מתכתיים, Ag, Au ו-Cu NPs בממסים שונים, כגון DW ו-NaCl; (ii) NPs מסגסוגת מתכת, NPs Ag-Au עם הרכבים שונים, NPs Ag-Cu ו- NPs Au-Cu; ו-(iii) NPs מסגסוגת מוליכים למחצה ממתכת, NPs מטיטניום-Au וסיליקון-Au/Ag. תצלומים אלה ממחישים את מגוון NPs שניתן לסנתז באמצעות שיטות קולואידיות ומציגים את התכונות האופטיות הייחודיות של NPs מסגסוגת מוליכים למחצה מתכת. אחסון NPs קולואידים כראוי הוא חיוני כדי להבטיח את יציבותם ולשמור על תכונותיהם. בקבוקי זכוכית מועדפים על פני מיכלי פלסטיק או מתכת מכיוון שהם אינם מגיבים עם NPs. NPs/NSs יש לאחסן במיכל עם מכסה הדוק כדי למזער את החשיפה לאוויר ולשמור במקום חשוך המגן עליהם מפני אור.

3. אפיון NPs/NSs בלייזר

הערה: אפיון NSs / NPs מתכת חיוני להבנת תכונותיהם ולהבטחת איכותם, כגון גודל, צורה, הרכב וכו '.

  1. ספקטרוסקופיית ספיגה
    הערה: ספקטרוסקופיית בליעה נראית UV היא טכניקה מבוססת היטב לאפיון NPs מתכתיים. הוא נחשב מהיר, פשוט ולא פולשני, מה שהופך אותו לכלי רב ערך לקביעת תכונות שונות של NPs. מיקומן של הפסגות קשור לתכונות שונות של NPs, כגון הרכב החומר שלהן, התפלגות הגודל, הצורה והתווך הסובב אותן.
    1. הכנת דוגמאות למחקרי ספיגה גלויים UV
      1. לפני הקלטת הספקטרום, ודא כי NPs מפוזרים באופן שווה ומושעה בתמיסה. מלאו קובטה לדוגמה עם 3 מ"ל של תרחיף NP וקובטת ייחוס מלאה בממס הבסיס (שבו NPs מפוזרים). יש לוודא שהקוביות נקיות ונקיות ממזהמים.
      2. אסוף את נתוני הבליעה (בטווח הספקטרלי שבין 200-900 ננומטר) באמצעות גודל צעד טיפוסי של 1 ננומטר.
  2. ניתוח TEM
    הערה: גודל וצורת NP קולואידים נבדקו על ידי מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת ונותחו מאוחר יותר באמצעות התוכנה.
    1. הכנת רשת TEM
      1. בעזרת מיקרופיפטה, יש לפזר בעדינות כ-2 μL של מתלה NP מתכתי על רשת TEM המצופה בסרט פחמן דק על גבי רשת נחושת דקה. תנו לממס להתאדות באופן טבעי בטמפרטורת החדר (RT).
        הערה: עבור אוסף של תמונות TEM, מתח מואץ של 200 kV וזרם אקדח אלקטרונים של ~ 100 μA שימשו. המיקרוגרפים נאספו בהגדלות שונות של 2 ננומטר, 5 ננומטר, 10 ננומטר, 20 ננומטר, 50 ננומטר, 100 ננומטר ו-200 ננומטר. ניתוח TEM שימש כדי לגלות את הגודל והצורה של NPs.
  3. ניתוח SEM
    הערה: מורפולוגיית פני השטח של ה-NSs האבלטים בלייזר והתצהיר / הרכב של NPs בלייזר ב- Si/NSs החשופים נבדקה באמצעות FESEM. תצלום טיפוסי של דגימת מתכת/מוליכים למחצה/סגסוגת NS בלייזר מוצג באיור 6.
    1. הכנת דגימת SEM: לאפיון SEM של NPs, יש להפקיד טיפה קטנה של מתלה NP על פרוסת סיליקון נקייה, המשמשת כמחזיק הדגימה. לאחר מכן, יבש את הדגימה ב- RT.
    2. השתמש ב- NSs המתכתיים ישירות לאפיון FESEM ללא הכנה נוספת למורפולוגיה של פני השטח.
      הערה: עבור אוסף תמונות FESEM, מתח גבוה אלקטרונים היה 3-5 kV ומרחק העבודה היה בדרך כלל 5-7 מ"מ, בהגדלות שונות של 5,000x, 10,000x, 20,000x, 50,000x ו- 100,000x.
  4. ניתוח XRD
    הערה: XRD היא טכניקה נפוצה לאפיון המבנה הגבישי ואיכות הגביש של NPs.
    1. הכנת מדגם XRD
      1. זרוק 50-100 μL של מתלה NP על מגלשת זכוכית. הוסיפו בזהירות את הטיפות למרכז דגימת זכוכית טיפה אחר טיפה. הוסף את הטיפות באיטיות באותה נקודה כדי להבטיח שה- NPs מפוזרים על הזכוכית כדי לקבל נתוני XRD באיכות טובה.
        הערה: הנתונים נאספו בין 3°-90° עם גודל צעד של 0.01° במשך ~1 שעות. אורך הגל של קרני רנטגן היה 1.54 מעלות צלזיוס, מתח הגנרטור היה 40 קילו וולט וזרם הצינור היה 30 מיליאמפר.
      2. לאחר מכן יבש את הדגימה ב- RT כדי לקבל סרט הומוגני ודק של NPs.
    2. ניתוח נתוני XRD
      1. נתח את מיקומי השיא של XRD באמצעות כרטיסי Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS). כל כרטיס JCPDS מכיל מידע על המבנה הגבישי של חומר מסוים, פרמטרי סריג ותבנית XRD.

4. יישום NPs/NSs

  1. ניתוח ראמאן
    1. בתחילה, אספו את ספקטרום הרמאן של מולקולות האנליט הרצויות בצורת אבקה. נתח את נתוני הרמאן שנאספו כדי לזהות את הפסגות הספקטרליות המתאימות למצבי הרטט של מולקולת האנליט.
  2. הכנת פתרון מלאי
    1. אשר את המסיסות של מולקולות האנליט בממס שנבחר. לאחר מכן, הכינו תמיסות מלאי של מולקולות האנליטה עם כמויות שנשקלו או נמדדו במדויק.
    2. לדוגמה, כדי להכין תמיסת מלאי של 50 מילימטר של מולקולת מתילן כחול (MB) ב 5 מ"ל אתנול:
      1. חשב את כמות אבקת MB הדרושה באמצעות הנוסחה: מסה = ריכוז (ב- mM) x נפח (ב- L) x משקל מולקולרי (ב- g/mol). במקרה זה, מסה = 50 mM x 0.005 L x 319 גרם / מול = 0.7995 גרם או כ 800 מ"ג.
      2. שקלו 800 מ"ג אבקת MB באמצעות איזון דיגיטלי. מוסיפים את האבקה לבקבוק זכוכית נקי.
      3. מוסיפים ממס לבקבוק ומנערים במרץ כדי להמיס את האבקה. אטמו היטב את פקק הבקבוק וערבבו היטב את התמיסה ביסודיות.
  3. איסוף נתוני ראמאן
    1. אספו את תמיסת המלאי ספקטרום ראמאן על ידי הפקדת טיפה של 10 מיקרוליטר של תמיסת מלאי על חתיכת פרוסת סיליקון נקייה. איור 7A מראה צילום של ספקטרומטר ראמאן נייד עם עירור לייזר של 785 ננומטר.
  4. הכנת מולקולת אנליט
    1. באמצעות מיקרופיפטה, מדללים את תמיסת הסטוק לריכוזים שונים על ידי הוספת נפח מתאים של ממס לסדרה של בקבוקוני זכוכית בהתאם לטווח הריכוז של עניין.
    2. הכן את סדרת הדילולים מתמיסת מלאי של 50 מילימטר לריכוז סופי באמצעות הנוסחה C ידוע x V ידוע = C לא ידוע x Vלא ידוע.
  5. הכנת מצע SERS
    1. כדי להכין מצע SERS באמצעות NP, הניחו טיפה קטנה של NPs על משטח סיליקון נקי ואפשרו לו להתייבש. לאחר מכן, הניחו טיפה זעירה של מולקולת האנליט הרצויה על מצע הסיליקון המצופה NP. תרשים של הכנת מצעי SERS באמצעות NPs, NSs היברידיים ומתכות מוצג באיור 7B.
  6. אוסף ספקטרום SERS
    1. אסוף את נתוני SERS באמצעות ספקטרומטר ראמאן נייד עם מקור עירור לייזר של 785 ננומטר. השוו את פסגות הרמאן של מולקולת האנליט לספקטרום עם פסגות הייחוס (אבקה ותמיסת מלאי).
  7. ניתוח נתוני SERS
    1. עבד את ספקטרום הרמאן וה- SERS המתקבל לתיקון רקע, חיסור אותות פלואורסצנטיים, החלקת האות ותיקון קו בסיס.
      1. יבא את קובץ הטקסט לתוכנת ORIGIN ולאחר מכן בצע את השלבים: ניתוח > מנתח שיא וקו בסיס > מנתח שיא > תיבת דו-שיח פתוחה > להחסיר > הבסיסי הבא > המשתמש מוגדר > להוסיף נקודת תיקון קו בסיס > סיום >.
        הערה: אדם יכול לכתוב תוכנית Matlab/Python משלו כדי להשיג זאת.
    2. נתח את הפסגות המתקבלות מבחינת מיקומן ועוצמתן על ידי הצבת נקודת הקורא/ביאור על הפסגה (במקור).
    3. הקצו את הפסגות להקצאות מצב הרטט התואמות של ראמאן בהתבסס על המאפיינים הספקטרליים שלהן על ידי איסוף ספקטרום ראמאן הגדול, סקר ספרות ו/או חישובי תורת פונקציונל הצפיפות (DFT).
  8. חישוב רגישות
    1. חישוב סולם מקדם ההשבחה (EF), המוגדר כיחס בין עוצמת אות הרמאן המתקבלת מהמצע הפעיל SERS לזו המתקבלת מהמצע הלא-פלסמוני עבור מצב ראמאן מסוים של מולקולת האנליט.
  9. מגבלת זיהוי
    1. בצע ניתוח SERS כמותי באמצעות עקומת כיול ליניארית, המייצגת את הקשר בין ריכוז ניתוח המטרה לבין עוצמת אות הרמאן הנמדדת שלו.
      מגבלת זיהוי (LOD) = 3 x (סטיית תקן של רעשי הרקע)/(שיפוע עקומת הכיול).
  10. יכולת שחזור
    הערה: היכולת של המצע להפיק באופן עקבי אותות SERS זהים או דומים עבור מולקולת אנליט נתונה באותם תנאי ניסוי מכונה יכולת השחזור של מצע SERS.
    1. חשב את סטיית התקן היחסית (RSD) באופן הבא: RSD = (סטיית תקן/ממוצע) x 100%
      הערה: באופן כללי, ערכי RSD בטווח של 5%-20% נחשבים מקובלים עבור רוב ניסויי SERS, אך ערכי RSD נמוכים יותר רצויים לעתים קרובות למדידות SERS כמותיות ואמינות יותר

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

NPs כסף סונתזו באמצעות אבלציה לייזר ps בטכניקה נוזלית. כאן, מערכת לייזר ps עם משך פולס של ~ 30 ps הפועל בקצב חזרה של 10 הרץ עם אורך גל של אחד של 355, 532, או 1,064 ננומטר שימש. אנרגיית דופק הקלט הותאמה ל -15 mJ. פולסי הלייזר היו ממוקדים באמצעות עדשה פלנו-קמורה בעלת אורך מוקד של 10 ס"מ. מיקוד הלייזר צריך להיות בדיוק על פני השטח של החומר במהלך אבלציה בלייזר מכיוון שאנרגיית הלייזר מרוכזת ביותר בנקודת המוקד, שם היא יכולה לגרום להסרת החומר הרצוי. אם מוקד הלייזר אינו על פני החומר, אנרגיית הלייזר מפוזרת על פני שטח גדול...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

בניקוי אולטרסוניקציה, החומר שיש לנקות שקוע בנוזל וגלי קול בתדר גבוה מוחלים על הנוזל באמצעות שואב קולי. גלי הקול גורמים להיווצרות וקריסה של בועות זעירות בנוזל, ומייצרים אנרגיה ולחץ מקומיים עזים הפולטים ומסירים לכלוך ומזהמים אחרים מפני השטח של החומר. באבלציה בלייזר, נעשה שימוש בשילוב של מקטב ברוסטר ולוח חצי גל כדי לכוונן את אנרגיית הלייזר; המקטב ממוקם בדרך כלל לפני צלחת חצי הגל. המקטב, המורכב על תושבת מסתובבת, מאפשר רק לגלי אור של קיטוב מסוים לעבור דרכם תוך החזרת גלי אור של קיטוב מאונך. האור שעובר דרך המקטב נכנס ללוח חצי ה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

אנו מודים לאוניברסיטת היידראבאד על התמיכה באמצעות פרויקט המכון למצוינות (IoE) UOH / IOE / RC1 / RC1-2016. מענק ה- IoE קיבל הודעת vide F11/9/2019-U3(A) מה- MHRD, הודו. DRDO, הודו מוכרת במימון תמיכה באמצעות ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. אנו מודים לבית הספר לפיזיקה, UoH, על אפיון FESEM ומתקני XRD. ברצוננו להביע את תודתנו הכנה לפרופ' SVS Nageswara Rao ולקבוצתו על תרומתם ותמיכתם רבת הערך בשיתוף פעולה. ברצוננו להביע את הערכתנו לחברי המעבדה בעבר ובהווה ד"ר פ גופלה קרישנה, ד"ר חמד סיד, ד"ר צ'נדו בירם, מר ס. סמפת' קומאר, גב' צ'ה בינדו מדהורי, גב' רשמה ביראם, מר א מנגאבו ומר ק' ראווי קומאר על תמיכתם ועזרתם שלא יסולא בפז במהלך ואחרי ניסויי אבלציה בלייזר במעבדה. אנו מכירים בשיתוף הפעולה המוצלח של ד"ר Prabhat Kumar Dwivedi, IIT Kanpur.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
סגסוגותצורף מקומיN/A99% טהור
AxiconThorlabsN/A100, טווח IR, מצופה AR, AX1210-B
אתנולSupelco, הודוCAS מס' 64-17-5
לייזרfemtosecond femtosecond  (fs)  מגבר לייזר  מאזניים HE, קוהרנטיN/Aדופק דופק 50 fs;
wavelenngth 800 ננומטר;
קצב חזרה: 1 קילו-הרץ;
אנרגיית דופק: 4 mJ
FESEMCarl ZEISS, Ultra 55N/A
Gatan DM3www.gatan.comGatan Microscopy Suite 3.x
יעד זהב סיגמא-אולדריץ', הודו99%
HAuCl4.3H2Oסיגמא-אולדריץ', הודוCAS מס' 16961-25-4
שלבי תרגום ברזולוציה גבוההניופורט SPECTRA PHYSICS GMBIN/AM-443 ביצועים גבוהים בפרופיל נמוך שלב ליניארי מיסב כדורי;
גובה הבמה הוא 1 אינץ' בלבד, ויש לה 2 אינץ' של נסיעה.
Micro RamanHoriba LabRAMN/Aסורג-1,800 ו-600 חריצים/מ"מ;
אורך גל של עירור -785 ננומטר, 632 ננומטר, 532 ננומטר, 325 ננומטר;
מטרות 10x, 20x, 50x, 100x;
גלאי CCD
מראותEdmund OpticsN/Aמראות מתאימות לאורך גל ספציפי של בקר תנועה לייזר
NEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBIN/AESP300 בקר-3 צירים בקרת
מקורwww.originlab.comמקור 2018
לייזר פיקו-שנייהEKSPLA 2251N/Aעמידות דופק 30 כ"ס;
wavelenngth 1064 ננומטר, 532 ננומטר, 355 ננומטר; קצב חזרות
10 הרץ;
אנרגיית דופק: 1.5 עד 30 mJ
PlanoconvexN/Aאורך מוקד 10 ס"מ
רמאן ניידi-Raman פלוס,  צימרים W Tek, ארה"בN/A785 ננומטר, ~ 100 ומיקרו; נקודת לייזר M  עירור בדיקה סיבים אופטיים ואיסוף
פרוסות סיליקוןMacwin India Ltd.1– 10 Ω-cm, p (100)-סוג
מלח כסף (AgNO3)Finar, הודוCAS מס' 7783-90-6 
יעד כסףסיגמא-אולדריץ', הודוCAS NO 7440-22-499% טהור
TEMTecnai TEMN/A
TEM רשתותסיגמא-אולדריץ', הודוTEM-CF200CUרשת נחושת מצופה פחמן  200 רשת
ThiramSigma-Aldrich, הודוCAS מס' 137-26-8
UVJasco V-670N/A
XRDברוקר D8 מתקדםלא ישים
טהור עדשת

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים