Name: 표면 강화 라만 산란 기반 감지 응용 분야를 위한 초고속 레이저 절제 나노 입자 및 나노 구조 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-06-16T14:20:00.000+00:00
Duration: 6 min 15 s
Description: 학습하세요 초고속 레이저 절제 기술을 이용한 나노입자 및 나노구조 합성 방법을. 분자 동역학 시뮬레이션과 실시간 모니터링 기술로 크기와 형태를 정밀 제어하여 촉매, 감지, 바이오의학 이미징 등 다양한 응용 분야에 활용할 수 있습니다.

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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.

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
<ol><li>레이저 절제 전 시료 세척<ol><li>아세톤을 사용하여 대상 표면의 초음파 세척(40kHz, 50W, 30°C)을 15분 동안 수행하여 오일, 그리스 및 왁스를 포함한 다양한 유기 물질을 제거합니다.</li>
		<li>그런 다음 표면을 에탄올로 15분 더 초음파 세척하여 염분 및 설탕과 같은 극성 오염 물질을 제거합니다.</li>
		<li>마지막으로 15분 동안 초음파 세척을 사용하여 탈이온수(DW)로 표면을 청소하여 샘플 표면에 남아 있는 용매 또는 오염 물질의 흔적을 제거합니다. 알림: 이 단계는 표면에 존재할 수 있는 원치 않는 불순물을 제거하여 정확한 분석을 보장하는 데 도움이 됩니다.</li>
	</ol></li>
	<li>시료의 무게 측정<ol><li>절제 전에 샘플의 무게를 측정하십시오.</li>
		<li>샘플에 대해 레이저 절제 실험을 수행합니다.</li>
		<li>절제 실험 후 샘플의 무게를 다시 측정합니다.</li>
		<li>절제 전과 후의 샘플 무게를 비교하여 실험 중에 제거된 물질의 양을 추정합니다. 이 정보는 절제된 제품의 농도 및 수율과 같은 절제된 재료의 특성을 분석하는 데 유용합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>레이저 매개변수 조정<ol><li>샘플의 절제 임계값보다 크도록 입력 레이저 출력을 조정합니다. 여기서, ~150 mW의 입력 전력은 Ag 표적의 ps 레이저 절제에 사용되었다. 알림: 임계값은 대상 물질이 기화되어 플라즈마로 변환되는 지점까지 가열하는 데 필요한 단위 면적당 최소 에너지를 나타냅니다.</li>
		<li>편광판과 반파장판을 결합하여 레이저 펄스 에너지를 조정합니다. 그림 1B 는 극초단 레이저 절제의 개략도를 보여줍니다.</li>
	</ol></li>
	<li>시료 표면에 대한 레이저 초점 조정<ol><li>포커싱 렌즈를 사용하여 레이저 빔을 샘플에 집중시켜 재료 표면을 제거합니다.</li>
		<li>생성된 밝은 플라즈마와 방출되는 균열 소리를 관찰하여 Z 방향의 변환 단계를 사용하여 샘플에 대한 레이저의 초점을 수동으로 조정합니다. 참고: 레이저 어블레이션 실험 중에 생성된 플라즈마를 시각화하기 위해 두 구성의 사진이 그림 2A에 제공됩니다: (i) 공기 중 레이저 어블레이션 및 (ii) 액체(LAL)에서의 레이저 어블레이션.</li>
	</ol></li>
	<li>다양한 유형의 초점 참고: 초점 광학 장치는 시료 표면에서 레이저(플라즈마 형성) 빔의 에너지 밀도를 증가시켜 보다 효율적인 절제로 이어질 수 있습니다. 평면 볼록 렌즈, axicon31, 원통형 렌즈 등과 같은 다양한 유형의 초점 광학 장치를 사용할 수 있습니다.<ol><li>특정 요구 사항에 따라 레이저 빔을 샘플에 초점을 맞추기 위해 집속 광학 장치를 사용하여 다양한 절제 깊이를 달성하여 NP/NS의 합성을 더 잘 제어할 수 있습니다. 그림 2B 는 LAL에 사용되는 세 가지 초점 조건을 보여줍니다. 알림: 레이저 절제에서 샘플에 레이저 초점을 조정하려면 안전과 정확성을 보장하기 위해 특정 예방 조치가 필요합니다.</li>
		<li>레이저 초점을 조작하는 데 사용되는 장비를 점검하고 유지 관리하여 올바르게 작동하는지 확인하십시오.</li>
		<li>부상이나 장비 손상의 위험을 최소화하기 위해 레이저 초점을 안전하고 정확하게 조정하십시오. 참고: 렌즈의 초점 거리 선택은 레이저 어블레이션에 사용되는 재료, 레이저 유형(펄스 지속 시간, 빔 크기) 및 샘플 표면에서 원하는 스폿 크기에 따라 달라집니다.</li>
	</ol></li>
	<li>샘플의 스캔 영역<ol><li>ESP 모션 컨트롤러에 연결된 X-Y 스테이지에 샘플을 배치합니다. 샘플이 레이저 전파 방향에 수직으로 움직이고 있습니다. 참고: ESP 모션 컨트롤러는 단일 지점 절제를 방지하기 위해 X 및 Y 방향으로 샘플의 래스터 스캔을 수행하는 데 사용됩니다.</li>
		<li>스캔 속도(일반적으로 금속 NP의 수율 향상을 위해 0.1mm/s)와 레이저 가공 영역을 조정하여 NP의 수율에 영향을 미치므로 샘플과 상호 작용하는 레이저 펄스 수를 최적화합니다.</li>
		<li>원하는 치수를 얻고 단일 지점 절제를 방지하려면 레이저 절제 과정에서 샘플을 스캔하는 동안 레이저 패터닝을 수행하십시오. 참고: 그림 3A, B 는 각각 가우시안 빔과 베셀 빔을 결합한 fs 레이저 어블레이션 설정 사진을 보여줍니다.</li>
	</ol></li>
	<li>금속 NP/NS를 합성하기 위한 액체의 레이저 절제<ol><li>원하는 모든 요구 사항을 설정한 후 레이저 절제 실험을 수행합니다. 1.1-1.6단계에서 설명한 단계를 따릅니다.</li>
		<li>레이저 출력 및 기타 설정을 모니터링하여 실험 전반에 걸쳐 일관되게 유지되도록 하십시오.</li>
		<li>레이저 어블레이션 실험 중에 표적 물질을 지속적으로 관찰하여 레이저 빔이 원하는 영역에 초점을 맞추도록 합니다. 참고: 그림 3A,B는 각각 가우시안 빔과 액시콘 빔을 사용하여 NP를 합성하기 위한 fs 레이저 절제 실험 설정을 보여줍니다. plano-convex lens는 입력 펄스의 초점을 맞추기 위해 사용되었습니다. NP의 형성은 실험의 다른 시간에 얻은 사진에서 분명합니다. 용액의 색상은 NP의 형성을 나타내고 용액의 색상 변화는 NP의 수율 증가를 나타냅니다(그림 4 참조). 레이저 보안경은 레이저 실험실에서 작업할 때 착용해야 하며, 적절한 파장에 대해 승인된 레이저 보안경만 사용해야 합니다. 고출력 레이저 빔이 눈에 잘못 반사되면 매우 위험하여 돌이킬 수 없는 손상을 입힐 수 있습니다. 레이저 빔은 레이저 실험실의 모든 사람들로부터 멀리 떨어져 있어야 합니다. 셋업의 광학 요소는 광학 테이블에서 방해받지 않았습니다. 실험이 수행되는 동안 샘플과 단계를 모니터링해야 합니다.</li>
	</ol></li>
</ol>2. 콜로이드 NP/NS의 저장
<ol><li>합성된 NP는 깨끗한 유리병에 보관하고 NS는 밀폐 용기에 보관합니다. 둘 다 데시케이터 안에 넣습니다. 참고: 그림 5는 서로 다른 액체와 표적을 결합하여 LAL을 통해 합성된 다양한 색상의 콜로이드 NP를 보여줍니다. 여기서, 도 5A,B는 (i) DW 및 NaCl과 같은 다양한 용매에서 금속 NP, Ag, Au 및 Cu NP를 포함하는 다양한 콜로이드 NP의 전형적인 사진을 보여줍니다. (ii) 금속 합금 NP, 조성이 다른 Ag-Au NP, Ag-Cu NP 및 Au-Cu NP; 및 (iii) 금속-반도체 합금 NP, 티타늄-Au 및 실리콘-Au/Ag NP. 이 사진은 콜로이드 방법을 사용하여 합성할 수 있는 다양한 NP를 보여주고 금속-반도체 합금 NP의 고유한 광학적 특성을 보여줍니다. 콜로이드 NP를 적절하게 보관하는 것은 안정성을 보장하고 특성을 유지하는 데 매우 중요합니다. 유리병은 NP와 반응하지 않기 때문에 플라스틱 또는 금속 용기보다 선호됩니다. NP/NS는 공기에 대한 노출을 최소화하기 위해 꼭 맞는 뚜껑이 있는 용기에 보관하고 빛으로부터 보호하는 어두운 장소에 보관해야 합니다.</li>
</ol>3. 레이저 절제 NP/NS의 특성 분석
참고: 금속 NS/NP의 특성을 분석하는 것은 그 특성을 이해하고 크기, 모양, 구성 등과 같은 품질을 보장하는 데 매우 중요합니다.
<ol><li>흡수 분광법(Absorption spectroscopy) 참고: UV 가시광선 흡수 분광법은 금속 NP를 특성화하기 위한 잘 정립된 기법입니다. 빠르고 간단하며 비침습적인 것으로 간주되어 NP의 다양한 특성을 결정하는 데 유용한 도구입니다. 피크의 위치는 재료 구성, 크기 분포, 모양 및 주변 매질과 같은 NP의 다양한 특성과 관련이 있습니다.<ol><li>UV 가시광선 흡수 연구를 위한 시료 전처리<ol><li>스펙트럼을 기록하기 전에 NP가 용액에 고르게 분포되어 있는지 확인하십시오. 시료 큐벳에 3mL의 NP 현탁액을 채우고 기본 용매(NP가 분산되어 있음)로 채워진 기준 큐벳을 채웁니다. 큐벳이 깨끗하고 오염 물질이 없는지 확인하십시오.</li>
			<li>1nm의 일반적인 단계 크기를 사용하여 흡수 데이터(200-900nm의 스펙트럼 범위)를 수집합니다.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>TEM 분석 참고: 콜로이드 NP 크기 및 모양은 투과 전자 현미경으로 검사한 후 나중에 소프트웨어를 사용하여 분석했습니다.<ol><li>TEM 그리드 준비<ol><li>마이크로피펫을 사용하여 약 2μL의 금속 NP 현탁액을 얇은 구리 그리드 위에 얇은 탄소 필름으로 코팅된 TEM 그리드에 부드럽게 분주합니다. 용매가 실온(RT)에서 자연적으로 증발하도록 합니다. 참고: TEM 이미지 수집을 위해 200kV의 가속 전압과 ~100μA의 전자총 전류가 사용되었습니다. 현미경 사진은 2nm, 5nm, 10nm, 20nm, 50nm, 100nm 및 200nm의 다양한 배율로 수집되었습니다. TEM 분석은 NP의 크기와 모양을 알아내는 데 사용되었습니다.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>SEM 분석 참고: 베어 Si/NS에서 레이저 절제 NS의 표면 형태 및 레이저 절제 NP의 증착/조성은 FESEM을 사용하여 검사되었습니다. 레이저 절제 금속/반도체/합금 NS 샘플의 일반적인 사진은 그림 6에 나와 있습니다.<ol><li>SEM 시료 전처리: NP의 SEM 특성 분석을 위해 NP 현탁액의 작은 방울을 시료 홀더 역할을 하는 세척된 실리콘 웨이퍼에 증착합니다. 그런 다음 샘플을 RT에서 건조시킵니다.</li>
		<li>표면 형태학에 대한 추가 준비 없이 FESEM 특성 분석에 금속 NS를 직접 사용할 수 있습니다. 참고: FESEM 이미지 수집의 경우 전자 고전압은 3-5kV이고 작동 거리는 일반적으로 5-7mm였으며 5,000x, 10,000x, 20,000x, 50,000x 및 100,000x의 다양한 배율에서 사용되었습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>XRD 분석 참고: XRD는 NP의 결정 구조 및 결정 품질을 특성화하는 데 일반적으로 사용되는 기술입니다.<ol><li>XRD 시료 전처리<ol><li>50-100 μL의 NP 현탁액을 유리 슬라이드에 드롭 캐스트합니다. 유리 샘플의 중앙에 한 방울씩 조심스럽게 방울을 추가합니다. NP가 유리에 분포되도록 같은 지점에 방울을 천천히 추가하여 양질의 XRD 데이터를 얻습니다. 알림: 데이터는 ~3시간 동안 90°의 단계 크기로 0.01°-1°에서 수집되었습니다. 사용된 X선 파장은 1.54A°, 발전기 전압은 40kV, 튜브 전류는 30mA였습니다.</li>
			<li>그런 다음 샘플을 RT에서 건조시켜 NP의 균일한 박막을 얻습니다.</li>
		</ol></li>
		<li>XRD 데이터 분석<ol><li>JCPDS(Joint Committee on Powder Diffraction Standards) 카드를 사용하여 XRD 피크 위치를 분석합니다. 각 JCPDS 카드에는 특정 재료의 결정 구조, 격자 매개변수 및 XRD 패턴에 대한 정보가 포함되어 있습니다.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
</ol>4. NP/NS의 적용
<ol><li>라만 분석<ol><li>처음에는 원하는 분석물 분자의 라만 스펙트럼을 분말 형태로 수집합니다. 수집된 라만 데이터를 분석하여 분석물 분자의 진동 모드에 해당하는 스펙트럼 피크를 식별합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>원액 준비<ol><li>선택한 용매에서 분석물 분자의 용해도를 확인합니다. 그런 다음 정확하게 계량 또는 측정된 양으로 분석물 분자의 원액을 준비합니다.</li>
		<li>예를 들어, 5mL의 에탄올에 메틸렌 블루(MB) 분자의 50mM 원액을 제조하려면:<ol><li>질량 = 농도(mM) x 부피(L) x 분자량(g/mol) 공식을 사용하여 필요한 MB 분말의 양을 계산합니다. 이 경우 질량 = 50mM x 0.005L x 319g/mol = 0.7995g 또는 약 800mg입니다.</li>
			<li>디지털 저울을 사용하여 800mg의 MB 분말을 칭량합니다. 깨끗한 유리병에 분말을 넣으십시오.</li>
			<li>병에 솔벤트를 넣고 세게 흔들어 분말을 녹입니다. 병뚜껑을 단단히 밀봉하고 용액을 완전히 섞습니다.</li>
		</ol></li>
	</ol></li>
	<li>Raman 데이터 수집<ol><li>깨끗한 실리콘 웨이퍼 조각에 10μL 방울의 원액을 증착하여 원액 라만 스펙트럼을 수집합니다. 그림 7A 는 785nm 레이저 여기가 있는 휴대용 라만 분광기의 사진을 보여줍니다.</li>
	</ol></li>
	<li>분석물 분자 준비<ol><li>마이크로피펫을 사용하여 관심 농도 범위에 따라 일련의 유리 바이알에 적절한 양의 용매를 추가하여 원액을 다양한 농도로 희석합니다.</li>
		<li>50mM 원액에서 최종 농도까지 일련의 희석액을 공식 C 공지 x V공지 = C미지 x V미지수를 사용하여 준비합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>SERS 기판 준비<ol><li>NP를 사용하여 SERS 기판을 준비하려면 깨끗한 실리콘 표면에 NP를 소량 떨어뜨려 건조시킵니다. 그런 다음 원하는 분석물 분자를 NP 코팅된 실리콘 기판에 소량 떨어뜨립니다. NP, 하이브리드 및 금속 NS를 사용한 SERS 기판 제조의 개략도는 그림 7B에 나와 있습니다.</li>
	</ol></li>
	<li>SERS 스펙트럼 컬렉션<ol><li>785nm 레이저 여기 소스가 있는 휴대용 라만 분광기를 사용하여 SERS 데이터를 수집합니다. 분석물 분자의 라만 피크를 스펙트럼과 참조 표준물질(분말 및 원액)의 피크와 비교합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>SERS 데이터 분석<ol><li>획득한 Raman 및 SERS 스펙트럼을 처리하여 배경 보정, 형광 신호 빼기, 신호 평활화 및 기준선 보정을 수행합니다.<ol><li>텍스트 파일을 ORIGIN 소프트웨어로 가져온 다음 단계를 따르십시오. 피크 및 베이스라인 > 피크 분석기> 분석 > 대화> 열기 대화 다음 > 사용자 정의 기준선 > 빼기 > 완료 > 완료 기준선 수정점 추가> 완료. 참고 :이를 달성하기 위해 자신의 Matlab / Python 프로그램을 작성할 수 있습니다.</li>
		</ol></li>
		<li>판독기/주석 지점을 피크(ORIGIN)에 배치하여 위치 및 강도 측면에서 결과 피크를 분석합니다.</li>
		<li>벌크 라만 스펙트럼, 문헌 조사 및/또는 밀도 함수 이론(DFT) 계산을 수집하여 스펙트럼 특성에 따라 해당 라만 진동 모드 할당에 피크를 할당합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>민감도 계산<ol><li>분석물 분자의 특정 라만 모드에 대해 SERS 활성 기질에서 얻은 라만 신호 강도와 비플라즈몬 기질에서 얻은 라만 신호 강도의 비율로 정의되는 향상 계수(EF) 척도를 계산합니다.</li>
	</ol></li>
	<li>검출 한계<ol><li>표적 분석물의 농도와 측정된 라만 신호 강도 간의 관계를 나타내는 선형 검량선을 사용하여 정량적 SERS 분석을 수행합니다. 검출 한계(LOD) = 3 x (배경 노이즈의 표준 편차)/(보정 곡선의 기울기).</li>
	</ol></li>
	<li>재현성 참고: 동일한 실험 조건 하에서 주어진 분석물 분자에 대해 동일하거나 유사한 SERS 신호를 일관되게 생성하는 기질의 능력을 SERS 기질의 재현성이라고 합니다.<ol><li>다음과 같이 상대 표준 편차(RSD)를 계산합니다. RSD = (표준 편차/평균) x 100% 참고: 일반적으로 5%-20% 범위의 RSD 값은 대부분의 SERS 실험에서 허용되는 것으로 간주되지만 보다 정량적이고 신뢰할 수 있는 SERS 측정을 위해서는 더 낮은 RSD 값이 바람직한 경우가 많습니다</li>
	</ol></li>
</ol>

Laser Ablation을 통한 나노입자와 나노구조체 합성

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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...

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) 표면4에서 물질을 방출하는 조밀 한 플라즈마의 생성과 같은 다양한 물리적 프로세스를 포함합니다. 레이저 절제는 높은 수율, 좁은 크기 분포 및 나노 구조(NS)를 가진 나노 입자(NP)를 생산하는 간단한 단일 단계 공정입니다. Naser et al.5은 레이저 절제 방법을 통해 NP의 합성 및 생산에 영향을 미치는 요인에 대한 자세한 검토를 수행했습니다. 검토는 레이저 펄스의 매개변수, 초점 조건 및 절제 매체와 같은 다양한 측면을 다루었습니다. 또한 이 연구에서는 LAL(laser ablation in liquid) 방법을 사용하여 광범위한 NP를 생산하는 데 미치는 영향에 대해서도 논의했습니다. 레이저 절제 나노 물질은 촉매, 전자, 감지 및 생물 의학, 물 분해 응용 분야 6,7,8,9,10,11,12,13,14와 같은 다양한 분야의 응용 분야와 함께 유망한 재료입니다.
표면 강화 라만 산란(SERS)은 금속 NS/NP에 흡착된 프로브/분석물 분자의 라만 신호를 크게 향상시키는 강력한 분석 감지 기술입니다. SERS는 금속 NP/NS에서 표면 플라즈몬 공명의 여기(excitation)를 기반으로 하며, 이로 인해 금속 나노 형상 근처의 국부 전자기장이 크게 상승합니다. 이 향상된 자기장은 표면에 흡착된 분자와 상호 작용하여 라만 신호를 크게 향상시킵니다. 이 기술은 염료, 폭발물, 살충제, 단백질, DNA 및 약물15,16,17을 포함한 다양한 분석물을 검출하는 데 사용되었습니다. 최근 몇 년 동안 다양한 모양의 금속 NP 18,19 (나노 막대, 나노 스타 및 나노 와이어), 하이브리드 NS20,21 (Si22,23, GaAs 24, Ti 25, 그래 핀 26, MOS227, Fe 28과 같은 다른 재료와 금속의 조합)의 사용을 포함하여 SERS 기판의 개발에 상당한 진전이 이루어졌습니다, 등), 뿐만 아니라 유연한 기판(29,30)(종이, 천, 나노섬유 등)을 포함할 수 있다. 기판에서 이러한 새로운 전략을 개발함으로써 다양한 실시간 응용 분야에서 SER을 사용할 수 있는 새로운 가능성이 열렸습니다.
이 프로토콜은 다양한 파장에서 ps 레이저를 사용하여 Ag NP를 제조하고 증류수에서 레이저 절제 기술을 사용하여 제조된 Ag-Au 합금 NP(Ag 및 Au 표적의 비율이 다름)에 대해 설명합니다. 또한 실리콘 마이크로/나노 구조는 공기 중의 실리콘에 fs 레이저를 사용하여 생성됩니다. 이러한 NP 및 NS는 자외선(UV) 가시광선 흡수, 투과 전자 현미경(TEM), X선 회절(XRD) 및 전계 방출 주사 전자 현미경(FESEM)을 사용하여 특성화됩니다. 또한 SERS 기질 및 분석물 분자의 준비에 대해 논의한 후 분석물 분자의 Raman 및 SERS 스펙트럼을 수집합니다. 데이터 분석은 전위 센서로서 레이저 절제 NP/NS의 향상 계수, 감도 및 재현성을 결정하기 위해 수행됩니다. 또한 일반적인 SERS 연구에 대해 논의하고 하이브리드 기판의 SERS 성능을 평가합니다. 특히, 유망한 금 나노스타의 SERS 감도는 일반 표면(예: Si/유리) 대신 레이저 구조 실리콘을 베이스로 사용하여 약 21배 향상될 수 있음이 밝혀졌습니다.

<table><tbody><tr><td>합금</td><td>현지 금세공</td><td>N/A</td><td>99% 순수</td></tr><tr><td>Axicon</td><td>Thorlabs</td><td>N/A</td><td>100, IR 범위, AR 코팅, AX1210-B</td></tr><tr><td>에탄올</td><td>Supelco, 인도</td><td>CAS No. 64-17-5</td><td></td></tr><tr><td>펨토초 레이저</td><td>펨토초&nbsp; (일천초)&nbsp; 레이저 증폭기&nbsp; 천칭자리 HE, 코히런트</td><td>N/A</td><td>펄스 지속 50fs; wavelenngth 800 nm; 반복 속도 1KHz; 펄스 에너지: 4 mJ</td></tr><tr><td>FESEM</td><td>Carl ZEISS, Ultra 55</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Gatan DM3</td><td>www.gatan.com</td><td>Gatan Microscopy Suite 3.x</td><td></td></tr><tr><td>Gold target&nbsp;</td><td>Sigma-Aldrich, India</td><td></td><td>99% 순수</td></tr><tr><td>HAuCl4.3H2O</td><td>Sigma-Aldrich, India</td><td>CAS 번호 16961-25-4</td><td></td></tr><tr><td>고해상도 번역 단계</td><td>Newport SPECTRA PHYSICS GMBI</td><td>N/A</td><td>M-443 고성능 로우 프로파일 볼 베어링 선형 스테이지; 무대 높이는 1인치에 불과하고 트래블은 2인치입니다.</td></tr><tr><td>마이크로 라만</td><td>Horiba LabRAM</td><td>N/A</td><td>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</td></tr><tr><td>미러</td><td>Edmund Optics</td><td>N/A</td><td>레이저의 특정 파장에 적합한 미러</td></tr><tr><td>모션 컨트롤러</td><td>NEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBI</td><td>N/A</td><td>ESP300 컨트롤러-3축 제어</td></tr><tr><td>Origin</td><td>www.originlab.com</td><td>Origin 2018</td><td></td></tr><tr><td>Picosecond laser</td><td>EKSPLA 2251</td><td>N/A</td><td>펄스 듀럴 액션 30ps; 파장 1064 nm, 532 nm, 355 nm; 반복 속도 10Hz; 펄스 에너지: 1.5에서 30 mJ</td></tr><tr><td>플라노볼렉스 렌즈</td><td></td><td>N/A</td><td>초점 거리 10 cm</td></tr><tr><td>라만 휴대용</td><td>i-라만 플러스,&nbsp; 비& W Tek, 미국</td><td>N / A</td><td>785 nm, ~ 100 &마이크로; M 레이저 스폿&nbsp; 광섬유 프로브 여기 및 수집</td></tr><tr><td>실리콘 웨이퍼</td><td>Macwin India Ltd.</td><td></td><td>1&ndash; 10 &오메가;-cm, p(100)-type</td></tr><tr><td>Silver salt (AgNO3)</td><td>Finar, India</td><td>CAS No. 7783-90-6&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>실버 타겟</td><td>Sigma-Aldrich, 인도</td><td>CAS NO 7440-22-4</td><td>99% 순수</td></tr><tr><td>TEM</td><td>Tecnai TEM</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>TEM 그리드</td><td>Sigma-Aldrich, 인도</td><td>TEM-CF200CU</td><td>구리 그리드 탄소 코팅&nbsp; 200 메시</td></tr><tr><td></td><td>Thiram Sigma-Aldrich, 인도</td><td>CAS No. 137-26-8</td><td></td></tr><tr><td>UV</td><td>Jasco V-670</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>XRD</td><td>브루커 D8 어드밴스</td><td>해당 없음</td><td></td></tr></tbody></table>

표면 강화 라만 산란 기반 감지 응용 분야를 위한 초고속 레이저 절제 나노 입자 및 나노 구조

Ultrafast Laser-Ablated Nanoparticles and Nanostructures for Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Sensing Applications

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.

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...

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.

The technique of ultrafast laser ablation in liquids has evolved and matured over the past decade, with several impending applications in various fields ...

레이저 절제 및 액체 기술은 액체 또는 기체 환경에서 표적 물질을 절제하여 나노 입자 및 나노 구조를 합성하여 계면 활성제 없이 친환경 나노 입자를 형성하는 데 중점을 둡니다. 이 연구 범위에는 레이저 매개변수 미세화, 나노 입자 특성 분석, 합성 메커니즘 탐색, 촉매, 감지, 전자, 에너지 저장 및 생물 의학 이미징과 같은 다양한 분야의 응용 분야 발견이 포함됩니다. 나노 물질 제조를 위한 레이저 절제의 최근 개발에는 나노 입자 크기, 모양 및 구성, 확장 가능한 생산 방법, 하이브리드 나노 물질 합성 및 표면 기능화의 맞춤화가 포함됩니다.이러한 발전은 향상된 안정성, 연장된 저장 수명, 시간당 최대 몇 그램의 높은 확장성, 다양한 응용 분야를 위한 상업적으로 실행 가능한 콜로이드 나노 입자 및 표면 나노 구조 생산을 제공합니다. 최근에는 초고속 용기 빔 및 와류 빔 절제 공정과 같은 다양한 다른 즉흥 연주가 구현되어 이국적인 나노 구조와 나노 입자를 생성하며 모양, 크기 및 지형을 조정할 수 있습니다. 극초단 레이저 절제를 통한 나노 입자 합성을 발전시키는 기술에는 이러한 나노 입자의 형성을 이해하기 위한 분자 역학 시뮬레이션이 포함됩니다.C.2 TEM 특성화 및 실시간 모니터링 기술에서 나노 입자 크기, 모양 및 조성을 맞춤화하기 위한 정밀 제어. 관련된 실험 과제는 향상된 기기 및 기술을 통한 자동화 기술, 레이저 절제 기술 자체의 초기 설정 비용 해결, 적절한 샘플 준비 보장, 오염 제어, 결과의 정확성과 신뢰성 향상을 위한 데이터 분석 및 해석 발표입니다. 우리 연구실에서는 금, 은, 아연, 티타늄, 구리, 실리콘, 갈륨 비소, 게르마늄, 산화 그래핀, 하프늄 및 다양한 바이옴 금속, 삼금속, 플러스 일산화물 등 다양한 재료를 조사했습니다.레이저 어블레이션 실험은 정밀한 재료 가공 및 나노 입자 합성을 위해 다양한 포커싱 조건을 사용하여 다양한 환경에서 수행되었습니다.

ultrafast-laser-ablated-nanoparticles-nanostructures-for-surface

Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

우리는 나노 구조 기질과 고정화된 단백질 및 압타머와 인터페이스하는 나노 생물학적 시스템의 제조 및 특성화를 설명합니다. 나노 구조 기판의 리소그래피 제작, 생체 기능화 및 표면 강화 라만 분광법(SERS) 특성화와 관련된 관련 실험 단계가 보고됩니다. 표면 고정 단백질의 SERS 검출 및 단백질-리간드 및 압타머-리간드 결합의 프로빙이 입증되었습니다.

표면 EBL 날조 된 나노 구조 기판을 사용하여 생체 분자의 라만 분광학 감지 강화

나노 입자 기반 광학 프로브는 라만 및 UV-Vis 분광법을 사용하여 항원을 검출하기 위한 매개체로 설계되었습니다. 여기에서는 향후 다중화 기능을 통합하는 방식으로 UV-Vis/Raman 분광법 면역분석을 위해 이러한 프로브를 준비하기 위한 프로토콜에 대해 설명합니다.

자외선 VI와 라만 분광학 면역 플랫폼 제조

이 기사에서는 스펙트럼 초점 모듈과 이중 출력 펄스 레이저의 통합을 제시하여 금 나노 입자와 암세포의 신속한 초분광 이미징을 가능하게 합니다. 이 작업은 표준 레이저 스캐닝 현미경에서 다중 모드 비선형 광학 기술의 세부 사항을 시연하는 것을 목표로 합니다.

다중 모드 비선형 광학 현미경을 사용한 나노 입자의 세포 흡수의 생체 분자 이미징

본 프로토콜은 민감한 분자 검출을 위해 플라즈몬 나노입자를 조작하기 위해 광학 트래핑 및 표면 강화 라만 분광법(SERS)을 통합하는 편리한 접근 방식을 설명합니다. 응집제 없이 트래핑 레이저는 플라즈몬 나노입자를 조립하여 현장 분광 측정을 위한 표적 분석물의 SERS 신호를 향상시킵니다.

In Situ 표면 강화 라만 분광법 특성화를 위한 플라즈몬 나노입자의 광학 트래핑

이 프로토콜은 공국소화 원자력 현미경(AFM) 및 라만 측정과 결합된 DNA 종이접기 나노안테나(DONA)를 사용한 단일 분자 표면 강화 라만 산란(SERS) 측정을 보여줍니다.

플라즈몬 DNA 종이접기 나노안테나로 구현되는 단일 분자 표면 강화 라만 산란 측정

본 연구에서는 생체적합성이 우수한 저비용 표면 강화 라만 산란(SERS) 기반 지문 나노프로브를 개발하여 비파괴 방법으로 살아있는 세포의 SERS 스펙트럼을 얻는 방법을 자세히 보여주기 위해 라벨이 없는 생세포 바이오이미징을 보여주고 두 가지 박테리아 균주를 검출했습니다.

Au@Carbon 도트 나노프로브를 기반으로 하는 Label-Free Surface-Enhanced Raman Scattering Bioanalysis

광학 스핀 교환 (SEOP) 펌프에 의해 hyperpolarized 크세논의 생산 설명되어 있습니다. 이 방법은 XE-129의 핵 스핀 분극의 ~ 10,000 배 향상을 산출하고 핵 자기 공명 분광법 및 이미징에 응용 프로그램이 있습니다. 기상 및 솔루션 상태 실험의 예는 주어집니다.

NMR과 MRI 응용 프로그램 용 Hyperpolarized 지논

Femtosecond 레이저 직접 작성이 자주 폴리머와 잔에 세 차원 (3D) 패턴을 생성하는 데 사용됩니다. 그러나, 3D로 패턴의 금속 도전 남아 있습니다. 우리는 800 nm의 중심 femtosecond 레이저를 사용하여 고분자 매트릭스 내부에 내장은 nanostructures를 제​​조하는 방법에 대해 설명합니다.

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형광 코어 microcavity 센서는 실리카 microcapillaries의 채널에 높은 지수 양자 점 코팅을 채용하고 있습니다. 모세관 채널 원인으로 펌프 유체의 굴절률의 변화는 채널 매체를 분석하는 데 사용할 수있는 microcavity의 형광 스펙트럼에 주던 사람이야.

Refractometric 감지 용 형광 코어 Microcavities의 합성 및 운영

우리는 분자 빔에 존재하는 다른 순응자 또는 클러스터의 공간 분리를 허용하는 기술을 제시한다. 정전기 디플렉터는 질량 대 이폴 모멘트 비율로 종을 분리하는 데 사용되며, 단일 원포 또는 클러스터 스토이치오메트리의 가스 상 앙상블을 생산합니다.

분자 순응및 클러스터의 공간 분리

학습하세요 초고속 레이저 절제 기술을 이용한 나노입자 및 나노구조 합성 방법을. 분자 동역학 시뮬레이션과 실시간 모니터링 기술로 크기와 형태를 정밀 제어하여 촉매, 감지, 바이오의학 이미징 등 다양한 응용 분야에 활용할 수 있습니다.

표면 강화 라만 산란 기반 감지 응용 분야를 위한 초고속 레이저 절제 나노 입자 및 나노 구조

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