액체의 초고속 레이저 어블레이션은 액체/공기 환경에서 나노 물질(나노 입자[NP] 및 나노 구조[NS])을 합성하기 위한 정밀하고 다재다능한 기술입니다. 레이저 절제 나노 물질은 라만 활성 분자로 기능화하여 NS/NP 위 또는 근처에 배치된 분석물의 라만 신호를 향상시킬 수 있습니다.
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이 논문에서
요약
초록
액체의 극초단 레이저 절제 기술은 지난 10년 동안 발전하고 발전해 왔으며 감지, 촉매 및 의학과 같은 다양한 분야에서 몇 가지 응용 분야가 임박했습니다. 이 기술의 탁월한 특징은 초단파 레이저 펄스를 사용한 단일 실험에서 나노 입자(콜로이드)와 나노 구조(고체)를 형성한다는 것입니다. 우리는 지난 몇 년 동안 이 기술을 연구해 왔으며 위험 물질 감지 응용 분야에서 표면 강화 라만 산란(SERS) 기술을 사용하여 그 잠재력을 조사해 왔습니다. 초고속 레이저 절제 기질(고체 및 콜로이드)은 염료, 폭발물, 살충제 및 생체 분자를 포함한 여러 분석물 분자를 미량 수준/혼합물 형태로 검출할 수 있습니다. 여기에서는 Ag, Au, Ag-Au 및 Si의 표적을 사용하여 달성한 결과 중 일부를 제시합니다. 우리는 다양한 펄스 지속 시간, 파장, 에너지, 펄스 모양 및 쓰기 형상을 사용하여 (액체와 공기에서) 얻은 나노 구조(NS) 및 나노 입자(NP)를 최적화했습니다. 따라서 다양한 NS 및 NP는 간단한 휴대용 라만 분광기를 사용하여 수많은 분석물 분자를 감지하는 효율성을 테스트했습니다. 이 방법론은 일단 최적화되면 현장 감지 응용 분야를 위한 길을 열어줍니다. (a) 레이저 절제를 통한 NP/NS 합성, (b) NP/NS의 특성화, (c) SERS 기반 감지 연구에서의 활용에 대한 프로토콜에 대해 논의합니다.
서론
극초단 레이저 어블레이션은 레이저-재료 상호 작용 분야에서 빠르게 진화하고 있습니다. 펨토초(fs)에서 피코초(ps) 범위의 펄스 지속 시간을 가진 고강도 레이저 펄스를 사용하여 정밀한 재료 절제를 생성합니다. 나노초(ns) 레이저 펄스와 비교했을 때, ps 레이저 펄스는 펄스 지속 시간이 짧기 때문에 더 높은 정밀도와 정확도로 재료를 제거할 수 있습니다. 열 효과가 적기 때문에 부수적 손상, 파편 및 절제 재료의 오염을 줄일 수 있습니다. 그러나 ps 레이저는 일반적으로 ns 레이저보다 비싸고 작동 및 유지 보수를 위한 전문 지식이 필요합니다. 극초단 레이저 펄스를 사용하면 에너지 증착을 정밀하게 제어할 수 있어 주변 물질에 대한 열 손상을 고도로 국부화하고 최소화할 수 있습니다. 또한 극초단 레이저 절제는 고유한 나노 물질의 생성으로 이어질 수 있습니다(즉, 나노 물질 생산 중에 계면활성제/캡핑제는 필수가 아님). 따라서 우리는 이것을 녹색 합성/제조 방법 1,2,3이라고 부를 수 있습니다. 극초단 레이저 절제술의 메커니즘은 복잡합니다. 이 기술은 (a) 전자 여기, (b) 이온화 및 (c) 표면
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프로토콜
SERS를 통한 분자의 미량 검출에서 극초단 절제 NP 또는 NS의 적용에 대한 일반적인 프로토콜 흐름도는 그림 1A에 나와 있습니다.
1. 금속 NP/NS 합성
알림: 요구 사항/응용 분야에 따라 대상 재료, 주변 액체 및 레이저 절제 매개변수를 선택하십시오.
여기:
대상물질 : Ag
주변 액체: DI 10mL
레이저 매개변수: 355/532/1064 nm; 30 추신; 10 헤르츠; 15 mJ
초점 렌즈: 평면 볼록 렌즈(초점 거리: 10cm)
스테이지 파라미터: X 및 Y 방향 0.1mm/s
- 레이저 절제 전 시료 세척
- 아세톤을 사용하여 대상 표면의 초음파 세척(40kHz, 50W, 30°C)을 15분 동안 수행하여 오일, 그리스 및 왁스를 포함한 다양한 유기 물질을 제거합니다.
- 그런 다음 표면을 에탄올로 15분 더 초음파 세척하여 염분 및 설탕과 같은 극성 오염 물질을 제거합니다.
- 마지막으로 15분 동안 초음파 세척을 사용하여 탈이온수(DW)로 표면을 청소하여 샘플 표면에 남아 있는 용매 ....
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결과
은 NP는 액체 기술에서 ps 레이저 절제를 통해 합성되었습니다. 여기서, 10Hz 반복률에서 작동하고 355, 532 또는 1,064nm 중 하나의 파장으로 작동하는 ~30ps의 펄스 지속 시간을 갖는 ps 레이저 시스템이 사용되었습니다. 입력 펄스 에너지는 15mJ로 조정되었습니다. 레이저 펄스는 초점 거리가 10cm인 평면 볼록 렌즈를 사용하여 초점을 맞췄습니다. 레이저 에너지는 원하는 재료를 제거할 수 있는 초점에 가장 집중되기 때문에 레이저 어블레이션 중에 레이저 초점은 재료 표면에 정확히 있어야 합니다. 레이저 초점이 재료 표면에 있지 않으면 레이저 에너지가 더 넓은 영역에 분산됩니다. 재료 제거 또는 표면 수정에는 충분하지 않을 수 있습니다. 결국 불완전하거나 일관성 없는 절제로 이어질 수 있습니다. 샘플은 X 및 Y 방향을 따라 0.1mm/s를 사용하여 변환되었습니다. Ag 타겟을 10mL의 DI에 담그고 샘플 위의 액체 높이는 ~7mm였습니다. 일반적으로 용매의 높이는 전체 대상 재료를 덮고 레이.......
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토론
초음파 세척에서 세척 할 물질을 액체에 담그고 초음파 세척기를 사용하여 고주파 음파를 액체에 가합니다. 음파는 액체에 작은 기포를 형성하고 내파시켜 물질 표면에서 먼지와 기타 오염 물질을 제거하고 제거하는 강렬한 국부 에너지와 압력을 생성합니다. 레이저 절제에서는 Brewster 편광판과 반파장 플레이트 조합을 사용하여 레이저 에너지를 조정했습니다. 편광판은 일반적으로 half-wave plate 앞에 배치됩니다. 회전식 마운트에 장착된 편광판은 특정 편광의 광파만 통과시키고 수직 편광의 광파를 반사합니다. 편광판을 통과한 빛은 반파장판으로 들어가 투과된 빛의 편광을 90° 회전시킵니다. 샘플을 공기 중에서 절제했을 때 NS만 형성되었습니다. 그러나 샘플을 깨끗한 유리 비커의 바닥에 단단히 부착하고 의도한 양의 액체로 채우고 액체에서 절제하면 NP와 NS가 모두 형성되었습니다. 레이저에 의해 절제된 샘플 부분에는 NS가 포함되어 있는 반면, 주변 액체에 분산된 절제된 물질은 NP로 구성됩니다. LAL은 초단파 레이저 펄스가 액체.......
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공개 사항
저자는 공개할 것이 없습니다.
감사의 글
Institute of Eminence(IoE) 프로젝트 UOH/IOE/RC1/RC1-2016을 통해 지원해 주신 하이데라바드 대학교에 감사드립니다. IoE 보조금은 인도 MHRD로부터 비디오 통지 F11/9/2019-U3(A)를 획득했습니다. 인도 DRDO는 ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]를 통한 자금 지원을 인정받았습니다. 우리는 FESEM 특성화 및 XRD 시설에 대해 물리학 학교(UoH)를 인정합니다. SVS Nageswara Rao 교수와 그의 그룹의 귀중한 협력 기여와 지원에 진심으로 감사드립니다. 과거와 현재의 연구실 구성원인 P Gopala Krishna 박사, Hamad Syed 박사, Chandu Byram 박사, S Sampath Kumar, Ch Bindu Madhuri, Reshma Beeram, A Mangababu, K Ravi Kumar 박사에게 실험실에서 레이저 절제 실험 중과 이후에 귀중한 지원과 도움을 주신 데 대해 감사를 표합니다. 우리는 IIT Kanpur의 Prabhat Kumar Dwivedi 박사의 성공적인 협력을 인정합니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 합금 | 현지 금세공 | N/A | 99% 순수 |
| Axicon | Thorlabs | N/A | 100, IR 범위, AR 코팅, AX1210-B |
| 에탄올 | Supelco, 인도 | CAS No. 64-17-5 | |
| 펨토초 레이저 | 펨토초 (일천초) 레이저 증폭기 천칭자리 HE, 코히런트 | N/A | 펄스 지속 50fs; wavelenngth 800 nm; 반복 속도 1KHz; 펄스 에너지: 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% 순수 | |
| HAuCl4.3H2O | Sigma-Aldrich, India | CAS 번호 16961-25-4 | |
| 고해상도 번역 단계 | Newport SPECTRA PHYSICS GMBI | N/A | M-443 고성능 로우 프로파일 볼 베어링 선형 스테이지; 무대 높이는 1인치에 불과하고 트래블은 2인치입니다. |
| 마이크로 라만 | Horiba LabRAM | N/A | 격자-1,800 및 600 그루브/mm; 여기 파장-785 nm, 632 nm, 532 nm, 325 nm; 대물렌즈 10x, 20x, 50 x, 100x; CCD 검출기 |
| 미러 | Edmund Optics | N/A | 레이저의 특정 파장에 적합한 미러 |
| 모션 컨트롤러 | NEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBI | N/A | ESP300 컨트롤러-3축 제어 |
| Origin | www.originlab.com | Origin 2018 | |
| Picosecond laser | EKSPLA 2251 | N/A | 펄스 듀럴 액션 30ps; 파장 1064 nm, 532 nm, 355 nm; 반복 속도 10Hz; 펄스 에너지: 1.5에서 30 mJ |
| 플라노볼렉스 렌즈 | N/A | 초점 거리 10 cm | |
| 라만 휴대용 | i-라만 플러스, 비& W Tek, 미국 | N / A | 785 nm, ~ 100 &마이크로; M 레이저 스폿 광섬유 프로브 여기 및 수집 |
| 실리콘 웨이퍼 | Macwin India Ltd. | 1– 10 &오메가;-cm, p(100)-type | |
| Silver salt (AgNO3) | Finar, India | CAS No. 7783-90-6 | |
| 실버 타겟 | Sigma-Aldrich, 인도 | CAS NO 7440-22-4 | 99% 순수 |
| TEM | Tecnai TEM | N/A | |
| TEM 그리드 | Sigma-Aldrich, 인도 | TEM-CF200CU | 구리 그리드 탄소 코팅 200 메시 |
| Thiram Sigma-Aldrich, 인도 | CAS No. 137-26-8 | ||
| UV | Jasco V-670 | N/A | |
| XRD | 브루커 D8 어드밴스 | 해당 없음 |
참고문헌
- 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).
- Byram, C., et al.
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재인쇄 및 허가
