Methodenartikel

Ultrasnelle lasergeablateerde nanodeeltjes en nanostructuren voor op het oppervlak verbeterde Raman-verstrooiingsgebaseerde detectietoepassingen

DOI:

10.3791/65450

⸱

16 juni 2023

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Ultrasnelle laserablatie in vloeistof is een nauwkeurige en veelzijdige techniek voor het synthetiseren van nanomaterialen (nanodeeltjes [NP's] en nanostructuren [NS's]) in vloeistof/luchtomgevingen. De laser-geablateerde nanomaterialen kunnen worden gefunctionaliseerd met Raman-actieve moleculen om het Raman-signaal van analyten die op of in de buurt van de NS's/NP's worden geplaatst te versterken.

Samenvatting

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

De techniek van ultrasnelle laserablatie in vloeistoffen is de afgelopen tien jaar geëvolueerd en volwassen geworden, met verschillende op handen zijnde toepassingen op verschillende gebieden, zoals detectie, katalyse en geneeskunde. Het uitzonderlijke van deze techniek is de vorming van nanodeeltjes (colloïden) en nanostructuren (vaste stoffen) in een enkel experiment met ultrakorte laserpulsen. We hebben de afgelopen jaren aan deze techniek gewerkt en de mogelijkheden ervan onderzocht met behulp van de oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiingstechniek (SERS) in detectietoepassingen voor gevaarlijke stoffen. Ultrasnelle lasergeablateerde substraten (vaste stoffen en colloïden) kunnen verschillende analytmoleculen detecteren op sporenniveau/mengselvorm, waaronder kleurstoffen, explosieven, pesticiden en biomoleculen. Hier presenteren we enkele van de resultaten die zijn bereikt met behulp van de doelen van Ag, Au, Ag-Au en Si. We hebben de verkregen nanostructuren (NS's) en nanodeeltjes (NP's) (in vloeistoffen en lucht) geoptimaliseerd met behulp van verschillende pulsduur, golflengten, energieën, pulsvormen en schrijfgeometrieën. Zo werden verschillende NS's en NP's getest op hun efficiëntie bij het detecteren van talrijke analytmoleculen met behulp van een eenvoudige, draagbare Raman-spectrometer. Deze methodologie maakt, eenmaal geoptimaliseerd, de weg vrij voor detectietoepassingen op het veld. We bespreken de protocollen in (a) het synthetiseren van de NP's/NS's via laserablatie, (b) karakterisering van NP's/NS's, en (c) hun gebruik in de SERS-gebaseerde detectiestudies.

Inleiding

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

Ultrasnelle laserablatie is een snel evoluerend gebied van laser-materiaalinteracties. Laserpulsen met hoge intensiteit met pulsduur in het bereik van femtoseconde (fs) tot picoseconde (ps) worden gebruikt om nauwkeurige materiaalablatie te genereren. Vergeleken met nanoseconde (ns) laserpulsen, kunnen ps-laserpulsen materialen met een hogere precisie en nauwkeurigheid ablateren vanwege hun kortere pulsduur. Ze kunnen minder nevenschade, puin en verontreiniging van het geablateerde materiaal veroorzaken vanwege minder thermische effecten. ps-lasers zijn echter doorgaans duurder dan ns-lasers en vereisen gespecialiseerde expertise voor bediening en onderhoud. De ultrasnelle laserpulsen maken een nauwkeurige controle over de energieafzetting mogelijk, wat leidt tot zeer gelokaliseerde en geminimaliseerde thermische schade aan het omringende materiaal. Bovendien kan ultrasnelle laserablatie leiden tot het genereren van unieke nanomaterialen (d.w.z. oppervlakteactieve stoffen/afdekmiddelen zijn niet verplicht tijdens de productie van nanomaterialen). Daarom kunnen we dit een groene synthese/fabricagemethode 1,2,3 noemen. De mechanismen van ultrasnelle laserablatie zijn ingewikkeld. De techniek omvat verschillende fysische processen, zoals (a) elektronische excitatie, (b) ionisatie en (c) het genereren van een dicht plasma, wat resulteert in het uitwerpen van materiaal van het oppervlak4. Laserablatie is een eenvoudig proces in één stap om nanodeeltjes (NP's) te produceren met een hoog rendement, een smalle grootteverdeling en nanostructuren (NS's). Naser et al.5 voerden een gedetailleerd overzicht uit van de factoren die van invloed zijn op de synthese en productie van NP's door middel van de laserablatiemethode. De beoordeling omvatte verschillende aspecten, zoals de parameters van een laserpuls, focusomstandigheden en het ablatiemedium. De review besprak ook hun impact op het produceren van een breed scala aan NP's met behulp van de laserablatie in vloeistof (LAL)-methode. De laser-geablateerde nanomaterialen zijn veelbelovende materialen, met toepassingen op verschillende gebieden zoals katalyse, elektronica, detectie, en biomedische, watersplitsende toepassingen 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

Surface-enhanced Raman-verstrooiing (SERS) is een krachtige analytische detectietechniek die het Raman-signaal van sonde/analytmoleculen die aan metalen NS's/NP's zijn geadsorbeerd, aanzienlijk verbetert. SERS is gebaseerd op de excitatie van oppervlakteplasmonresonanties in metallische NP's/NS's, wat resulteert in een significante toename van het lokale elektromagnetische veld in de buurt van de metallische nanokenmerken. Dit versterkte veld interageert met de moleculen die aan het oppervlak worden geadsorbeerd, waardoor het Raman-signaal aanzienlijk wordt versterkt. Deze techniek is gebruikt om verschillende analyten te detecteren, waaronder kleurstoffen, explosieven, pesticiden, eiwitten, DNA en medicijnen15,16,17. In de afgelopen jaren is aanzienlijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van SERS-substraten, waaronder het gebruik van verschillend gevormde metalen NP's 18,19 (nanostaafjes, nanosterren en nanodraden), hybride NS's20,21 (een combinatie van het metaal met andere materialen zoals Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafeen 26, MOS227, Fe 28, enz.), evenals flexibele substraten29,30 (papier, doek, nanovezel, enz.). De ontwikkeling van deze nieuwe strategieën in de substraten heeft nieuwe mogelijkheden geopend voor het gebruik van SERS in verschillende real-time toepassingen.

Dit protocol bespreekt de fabricage van Ag NP's met behulp van een ps-laser op verschillende golflengten en Ag-Au-legering NP's (met verschillende verhoudingen van Ag- en Au-doelen) vervaardigd met behulp van laserablatietechniek in gedestilleerd water. Bovendien worden silicium micro/nanostructuren gemaakt met behulp van een fs-laser op silicium in de lucht. Deze NP's en NS's worden gekarakteriseerd met behulp van ultraviolette (UV)-zichtbare absorptie, transmissie-elektronenmicroscopie (TEM), röntgendiffractie (XRD) en veldemissie-scanning-elektronenmicroscopie (FESEM). Verder wordt de bereiding van SERS-substraten en analytmoleculen besproken, gevolgd door het verzamelen van Raman- en SERS-spectra van de analytmoleculen. Data-analyse wordt uitgevoerd om de verbeteringsfactor, gevoeligheid en reproduceerbaarheid van de lasergeablateerde NP's/NS's als potentiële sensoren te bepalen. Daarnaast worden typische SERS-studies besproken en worden de SERS-prestaties van hybride substraten geëvalueerd. In het bijzonder is gebleken dat de SERS-gevoeligheid van de veelbelovende gouden nanosterren ongeveer 21 keer kan worden verbeterd door lasergestructureerd silicium te gebruiken in plaats van gewone oppervlakken (zoals Si/glas) als basis.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

Een typisch protocolstroomdiagram van de toepassing van ultrasnelle geablateerde NP's of NS's bij de sporendetectie van moleculen via SERS wordt weergegeven in figuur 1A.

1. Synthetiseren van metalen NP's/NS's

NOTITIE: Afhankelijk van de vereiste/toepassing, kiest u het doelmateriaal, de omringende vloeistof en de laserablatieparameters.
Hier:
Doelmaterialen: Ag
Omringende vloeistof: 10 ml DI
Laser parameters: 355/532/1064 nm; 30 pk; 10 Hz; 15 mJ
Focuslens: Plano-convexe lens (brandpuntsafstand: 10 cm)
Faseparameters: 0,1 mm/s in de X- en Y-richting

  1. Monsterreiniging vóór laserablatie
    1. Voer ultrasone reiniging (40 kHz, 50 W, 30 °C) van het doeloppervlak uit met aceton gedurende 15 minuten, waardoor verschillende organische materialen, waaronder oliën, vetten en wassen, worden verwijderd.
    2. Onderwerp het oppervlak vervolgens nog eens 15 minuten aan ultrasone reiniging met ethanol om polaire verontreinigingen, zoals zouten en suikers, te verwijderen.
    3. Reinig ten slotte het oppervlak met gedeïoniseerd water (DW) met behulp van ultrasone reiniging gedurende 15 minuten om eventuele resterende sporen van oplosmiddelen of verontreinigingen van het oppervlak van het monster te verwijderen.
      NOTITIE: Deze stappen helpen om ongewenste onzuiverheden die op het oppervlak aanwezig kunnen zijn te verwijderen, waardoor een nauwkeurige analyse wordt gegarandeerd.
  2. Het gewicht van het monster meten
    1. Meet het gewicht van het monster vóór de ablatie.
    2. Voer het laserablatie-experiment uit op het monster.
    3. Meet het gewicht van het monster opnieuw na het ablatie-experiment.
    4. Door het gewicht van het monster voor en na ablatie te vergelijken, schat u de hoeveelheid materiaal die tijdens het experiment is verwijderd. Deze informatie is nuttig bij het analyseren van de eigenschappen van het geablateerde materiaal, zoals de concentratie en opbrengst van de geablateerde producten.
  3. Pas de laserparameters aan
    1. Pas het ingangslaservermogen zodanig aan dat het groter is dan de ablatiedrempel van het monster. Hier werd een ingangsvermogen van ~150 mW gebruikt voor ps-laserablatie van het Ag-doel.
      OPMERKING: De drempel verwijst naar de minimale energie per oppervlakte-eenheid die nodig is om het doelmateriaal te verwarmen tot het punt waarop het wordt verdampt en omgezet in plasma.
    2. Combineer een polarisator en een halfgolfplaat om de laserpulsenergie aan te passen. Figuur 1B toont het schema van ultrasnelle laserablatie.
  4. Laserfocusaanpassingen op het monsteroppervlak
    1. Richt de laserstraal op het monster met behulp van een focuslens om het materiaaloppervlak te ablateren.
    2. Pas de focus van de laser op het monster handmatig aan met behulp van een translatietrap in de Z-richting door het geproduceerde heldere plasma en het krakende geluid te observeren.
      OPMERKING: Om het plasma te visualiseren dat tijdens de laserablatie-experimenten wordt gegenereerd, worden de foto's van beide configuraties weergegeven in figuur 2A: (i) laserablatie in lucht en (ii) laserablatie in vloeistof (LAL).
  5. Verschillende soorten scherpstellen
    OPMERKING: Focusserende optica kan helpen de energiedichtheid van de laserstraal (plasmavorming) op het monsteroppervlak te verhogen, wat leidt tot een efficiëntere ablatie. Er kunnen verschillende soorten focusseeroptiek worden gebruikt, zoals plano-convexe lenzen, axicon31, cilindrische lenzen, enz.
    1. Gebruik focusseeroptiek om de laserstraal op het monster te focussen, afhankelijk van de specifieke vereisten, zoals het bereiken van verschillende ablatiediepten, waardoor een betere controle over de synthese van NP's/NS's mogelijk is. Figuur 2B toont de drie focusvoorwaarden die in LAL worden gebruikt.
      NOTITIE: Het aanpassen van de laserfocus op het monster bij laserablatie vereist bepaalde voorzorgsmaatregelen om de veiligheid en nauwkeurigheid te garanderen.
    2. Controleer en onderhoud de apparatuur die wordt gebruikt om de laserfocus te manipuleren om ervoor te zorgen dat deze correct functioneert.
    3. Pas de laserfocus veilig en nauwkeurig aan om het risico op letsel of schade aan apparatuur te minimaliseren.
      OPMERKING: De keuze van de brandpuntsafstand van de lenzen hangt af van het materiaal dat wordt gebruikt voor laserablatie, het type laser (pulsduur, straalgrootte) en ook de gewenste spotgrootte op het monsteroppervlak.
  6. Scangebied van het monster
    1. Plaats het monster op de X-Y-trappen die zijn aangesloten op een ESP-bewegingscontroller. Het monster beweegt loodrecht op de voortplantingsrichting van de laser.
      NOTITIE: De ESP-bewegingscontroller wordt gebruikt om een rasterscan van het monster in de X- en Y-richting uit te voeren om eenpuntsablatie te voorkomen.
    2. Pas de scansnelheid aan (meestal 0,1 mm/s voor een betere opbrengst van metalen NP's) en het laserbewerkingsgebied om het aantal laserpulsen dat op het monster inwerkt te optimaliseren, aangezien dit de opbrengst van de NP's beïnvloedt.
    3. Om de gewenste afmetingen te bereiken en eenpuntsablatie te voorkomen, voert u laserpatronen uit tijdens het scannen van het monster tijdens het laserablatieproces.
      OPMERKING: Figuur 3A, B illustreert de foto van de fs-laserablatie-instelling door respectievelijk Gauss-stralen en Bessel-stralen in te schakelen.
  7. Laserablatie in vloeistof om metalen NP's/NS's te synthetiseren
    1. Voer een laserablatie-experiment uit nadat u alle gewenste vereisten hebt ingesteld. Volg de stappen in de stappen 1.1-1.6.
    2. Zorg ervoor dat u het laservermogen en andere instellingen in de gaten houdt om ervoor te zorgen dat ze tijdens het experiment consistent blijven.
    3. Observeer continu het doelmateriaal tijdens het laserablatie-experiment om ervoor te zorgen dat de laserstraal op het gewenste gebied gericht blijft.
      OPMERKING: Figuur 3A,B toont de experimentele opstellingen voor fs-laserablatie voor het synthetiseren van de NP's met behulp van respectievelijk een Gaussiaanse straal en een axiconstraal. Voor het scherpstellen van de ingangspulsen werd een plano-convexe lens gebruikt. De vorming van NP's blijkt uit de foto's die op verschillende tijdstippen van het experiment zijn verkregen. De kleur van de oplossing duidt op de vorming van NP's en een kleurverandering in de oplossing duidt op een toenemende opbrengst van de NP's (afgebeeld in figuur 4). Bij het werken in het laserlab moet een laserveiligheidsbril worden gedragen, waarbij alleen goedgekeurde laserveiligheidsbrillen voor de juiste golflengte worden gebruikt. Elke verdwaalde reflectie van de krachtige laserstraal in het oog is uiterst gevaarlijk en resulteert in onomkeerbare schade. De laserstraal moet uit de buurt van alle mensen in het laserlab worden gehouden. De optische elementen in de opstelling werden niet verstoord op de optische tafel. Het monster en de stadia moeten tijdens de uitvoering van de experimenten worden gecontroleerd.

2. Opslag van colloïdale NP's/NS's

  1. Bewaar de gesynthetiseerde NP's in schone glazen flessen en bewaar NS's in luchtdichte containers. Plaats beide in een exsiccator .
    OPMERKING: Figuur 5 toont colloïdale NP's van verschillende kleuren die via LAL worden gesynthetiseerd door verschillende vloeistoffen en doelen te combineren. Hier toont figuur 5A,B de typische foto's van verschillende colloïdale NP's, waaronder (i) metaal-NP's, Ag-, Au- en Cu-NP's in verschillende oplosmiddelen, zoals DW en NaCl; ii) NP's van metaallegeringen, Ag-Au-NP's met verschillende samenstellingen, Ag-Cu-NP's en Au-Cu-NP's; en iii) NP's van metaal-halfgeleiderlegeringen, titanium-Au en silicium-Au/Ag-NP's. Deze foto's illustreren de verscheidenheid aan NP's die kunnen worden gesynthetiseerd met behulp van colloïdale methoden en tonen de unieke optische eigenschappen van NP's van metaal-halfgeleiderlegeringen. Het op de juiste manier bewaren van colloïdale NP's is cruciaal om hun stabiliteit te garanderen en hun eigenschappen te behouden. Glazen flessen hebben de voorkeur boven plastic of metalen containers, omdat ze niet reageren met de NP's. NP's/NS's moeten worden bewaard in een container met een goed sluitend deksel om blootstelling aan lucht te minimaliseren en op een donkere plaats worden bewaard die ze tegen licht beschermt.

3. Karakterisering van lasergeablateerde NP's/NS's

OPMERKING: Het karakteriseren van metalen NS's/NP's is van vitaal belang voor het begrijpen van hun eigenschappen en het waarborgen van hun kwaliteit, zoals grootte, vorm, samenstelling, enz.

  1. De spectroscopie van de absorptie
    OPMERKING: UV-zichtbare absorptiespectroscopie is een gevestigde techniek voor het karakteriseren van metaal-NP's. Het wordt als snel, eenvoudig en niet-invasief beschouwd, waardoor het een waardevol hulpmiddel is voor het bepalen van verschillende eigenschappen van NP's. De positie van de pieken hangt samen met verschillende eigenschappen van de NP's, zoals hun materiaalsamenstelling, grootteverdeling, vorm en het omringende medium.
    1. Monstervoorbereiding voor UV-zichtbare absorptiestudies
      1. Voordat u het spectrum registreert, moet u ervoor zorgen dat de NP's gelijkmatig zijn verdeeld en in de oplossing zijn opgehangen. Vul een monstercuvet met de 3 ml NP-suspensie en een referentiecuvet gevuld met het basisoplosmiddel (waarin de NP's zijn gedispergeerd). Zorg ervoor dat de cuvetten schoon en vrij van verontreinigingen zijn.
      2. Verzamel de absorptiegegevens (in het spectrale bereik van 200-900 nm) met behulp van een typische stapgrootte van 1 nm.
  2. TEM-analyse
    OPMERKING: De grootte en vorm van colloïdale NP werden onderzocht door een transmissie-elektronenmicroscoop en later geanalyseerd met behulp van de software.
    1. Voorbereiding van het TEM-rooster
      1. Doseer met behulp van een micropipet voorzichtig ongeveer 2 μl van de metalen NP-suspensie op een TEM-rooster bedekt met een dunne koolstoffilm bovenop een dun koperen rooster. Laat het oplosmiddel op natuurlijke wijze verdampen bij kamertemperatuur (RT).
        OPMERKING: Voor het verzamelen van TEM-beelden werden een acceleratiespanning van 200 kV en een elektronenkanonstroom van ~100 μA gebruikt. De microfoto's werden verzameld bij verschillende vergrotingen van 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 50 nm, 100 nm en 200 nm. TEM-analyse werd gebruikt om de grootte en vorm van de NP's te achterhalen.
  3. SEM-analyse
    OPMERKING: De oppervlaktemorfologie van de lasergeablateerde NS's en de afzetting/samenstelling van de lasergeablateerde NP's op de kale Si/NS's werden onderzocht met behulp van FESEM. Een typische foto van een lasergeablateerd NS-monster van metaal/halfgeleider/legering wordt weergegeven in figuur 6.
    1. Voorbereiding van het SEM-monster: Voor de SEM-karakterisering van NP's deponeert u een klein druppeltje van de suspensie van het NP op een gereinigde siliciumwafel, die als monsterhouder dient. Droog het monster vervolgens bij RT.
    2. Gebruik de metalen NS'en rechtstreeks voor FESEM-karakterisering zonder verdere voorbereiding voor oppervlaktemorfologie.
      OPMERKING: Voor de verzameling FESEM-beelden was de elektronenhoogspanning 3-5 kV en de werkafstand was doorgaans 5-7 mm, bij verschillende vergrotingen van 5.000x, 10.000x, 20.000x, 50.000x en 100.000x.
  4. XRD-analyse
    OPMERKING: XRD is een veelgebruikte techniek voor het karakteriseren van de kristalstructuur en kristalkwaliteit van NP's.
    1. Voorbereiding van XRD-monsters
      1. Giet 50-100 μL van de NP-suspensie op een glasplaatje. Voeg de druppels voorzichtig druppel voor druppel toe aan het midden van een glasmonster. Voeg de druppels langzaam toe op dezelfde plek om ervoor te zorgen dat de NP's over het glas worden verdeeld om XRD-gegevens van goede kwaliteit te verkrijgen.
        OPMERKING: De gegevens zijn verzameld van 3°-90° met een stapgrootte van 0,01° gedurende een duur van ~1 uur. De gebruikte röntgengolflengte was 1,54 A°, de generatorspanning was 40 kV en de buisstroom was 30 mA.
      2. Droog het monster vervolgens bij RT om een homogene, dunne film NP's te verkrijgen.
    2. XRD-gegevensanalyse
      1. Analyseer de XRD-piekposities met Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS)-kaarten. Elke JCPDS-kaart bevat informatie over de kristalstructuur, roosterparameters en het XRD-patroon van een specifiek materiaal.

4. Toepassing van de nationale parlementen/NS's

  1. Raman analyse
    1. Verzamel in eerste instantie de Raman-spectra van de gewenste analytmoleculen in poedervorm. Analyseer de verzamelde Raman-gegevens om de spectrale pieken te identificeren die overeenkomen met de trillingsmodi van het analytmolecuul.
  2. Bereiding van de voorraadoplossing
    1. Bevestig de oplosbaarheid van de analytmoleculen in het gekozen oplosmiddel. Bereid vervolgens stockoplossingen van de analytmoleculen met nauwkeurig afgewogen of afgemeten hoeveelheden.
    2. Bijvoorbeeld, om een 50 mM stockoplossing van methyleenblauw (MB)-molecuul in 5 ml ethanol te bereiden:
      1. Bereken de benodigde hoeveelheid MB-poeder met behulp van de formule: massa = concentratie (in mM) x volume (in L) x molecuulgewicht (in g/mol). In dit geval massa = 50 mM x 0,005 l x 319 g/mol = 0,7995 g of ongeveer 800 mg.
      2. Weeg 800 mg MB-poeder af met behulp van een digitale balans. Voeg het poeder toe aan een schone glazen fles.
      3. Voeg oplosmiddel toe aan de fles en schud krachtig om het poeder op te lossen. Sluit de dop van de fles goed af en meng de oplossing grondig.
  3. Verzameling van Raman-gegevens
    1. Verzamel de ramanspectra van de stockoplossing door een druppel van 10 μL stockoplossing op een stuk schone siliciumwafer te deponeren. Figuur 7A toont de foto van een draagbare Raman-spectrometer met een laserexcitatie van 785 nm.
  4. Bereiding van analytmoleculen
    1. Verdun de stockoplossing met behulp van een micropipet tot verschillende concentraties door een geschikte hoeveelheid oplosmiddel toe te voegen aan een reeks glazen injectieflacons, afhankelijk van het gewenste concentratiebereik.
    2. Bereid de verdunningsreeks van een stockoplossing van 50 mM tot een eindconcentratie met behulp van de formule C bekend x Vbekend = C onbekend x Vonbekend.
  5. SERS substraat voorbereiding
    1. Om een SERS-substraat te bereiden met behulp van NP's, deponeert u een kleine druppel NP's op een schoon siliconenoppervlak en laat u het drogen. Plaats vervolgens een kleine druppel van het gewenste analytmolecuul op het NP-gecoate siliciumsubstraat. Een schema van de bereiding van SERS-substraten met behulp van NP's, hybride en metalen NS's is weergegeven in figuur 7B.
  6. SERS spectra collectie
    1. Verzamel de SERS-gegevens met behulp van een draagbare Raman-spectrometer met een laserexcitatiebron van 785 nm. Vergelijk de Raman-pieken van het analytmolecuul met de spectra met die van referentiestandaarden (poeder en stockoplossing).
  7. SERS data-analyse
    1. Verwerk de verkregen Raman- en SERS-spectra voor achtergrondcorrectie, aftrekking van fluorescentiesignalen, afvlakking van het signaal en basislijncorrectie.
      1. Importeer het tekstbestand in de ORIGIN-software en volg de stappen: analyse > piek- en basislijn - > piekanalysator > open dialoogvenster > basislijn aftrekken > volgende > door de gebruiker gedefinieerde > basislijncorrectiepunt toevoegen > > voltooien is voltooid.
        OPMERKING: Men kan zijn eigen Matlab/Python-programma schrijven om dit te bereiken.
    2. Analyseer de resulterende pieken in termen van hun posities en intensiteiten door het lezer-/annotatiepunt op de piek te plaatsen (in ORIGIN).
    3. Wijs de pieken toe aan hun corresponderende Raman-trillingsmodustoewijzingen op basis van hun spectrale kenmerken door het verzamelen van het bulk Raman-spectrum, literatuuronderzoek en/of dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT)-berekeningen.
  8. Gevoeligheidsberekening
    1. Bereken de schaal van de verbeteringsfactor (EF), gedefinieerd als de verhouding tussen de Raman-signaalintensiteit verkregen uit het actieve SERS-substraat en die verkregen uit het niet-plasmonische substraat voor een specifieke Raman-modus van het analytmolecuul.
  9. Detectielimiet
    1. Voer een kwantitatieve SERS-analyse uit met behulp van een lineaire kalibratiecurve, die de relatie weergeeft tussen de concentratie van de doelanalyt en de gemeten Raman-signaalintensiteit.
      Detectiegrens (LOD) = 3 x (standaarddeviatie van het achtergrondgeluid)/(helling van de kalibratiecurve).
  10. Reproduceerbaarheid
    OPMERKING: Het vermogen van het substraat om consistent dezelfde of vergelijkbare SERS-signalen te produceren voor een bepaald analytmolecuul onder dezelfde experimentele omstandigheden wordt de reproduceerbaarheid van het SERS-substraat genoemd.
    1. Bereken de relatieve standaarddeviatie (RSD) als volgt: RSD = (standaarddeviatie/gemiddelde) x 100%
      OPMERKING: Over het algemeen worden RSD-waarden in het bereik van 5%-20% als acceptabel beschouwd voor de meeste SERS-experimenten, maar lagere RSD-waarden zijn vaak wenselijk voor meer kwantitatieve en betrouwbare SERS-metingen

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Zilveren NP's werden gesynthetiseerd via ps-laserablatie in vloeibare techniek. Hier werd een ps-lasersysteem gebruikt met een pulsduur van ~30 ps met een herhalingsfrequentie van 10 Hz en met een golflengte van 355, 532 of 1,064 nm. De ingangspulsenergie werd aangepast naar 15 mJ. De laserpulsen werden gefocusseerd met behulp van een plano-convexe lens met een brandpuntsafstand van 10 cm. De laserfocus moet tijdens laserablatie precies op het materiaaloppervlak liggen, omdat de laserenergie het meest geconcentr...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Bij ultrasoonreiniging wordt het te reinigen materiaal ondergedompeld in een vloeistof en worden met behulp van een ultrasoon reinigingsmiddel hoogfrequente geluidsgolven op de vloeistof aangebracht. De geluidsgolven veroorzaken de vorming en implosie van kleine belletjes in de vloeistof, waardoor intense lokale energie en druk worden gegenereerd die vuil en andere verontreinigingen losmaken en verwijderen van het oppervlak van het materiaal. Bij laserablatie werden een Brewster-polarisator en een halfgolfplaatcombinatie...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

We danken de Universiteit van Hyderabad voor de steun via het Institute of Eminence (IoE) project UOH/IOE/RC1/RC1-2016. De IoE-subsidie is verkregen vide kennisgeving F11/9/2019-U3(A) van de MHRD, India. DRDO, India wordt erkend voor het financieren van steun via ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. We erkennen de School of Physics, UoH, voor de FESEM-karakterisering en XRD-faciliteiten. We willen onze oprechte dank betuigen aan Prof SVS Nageswara Rao en zijn groep voor hun waardevolle samenwerking, bijdragen en steun. We willen onze waardering uitspreken voor vroegere en huidige laboratoriumleden Dr. P Gopala Krishna, Dr. Hamad Syed, Dr. Chandu Byram, Dhr. S Sampath Kumar, Mevr. Ch Bindu Madhuri, Mevr. Reshma Beeram, Dhr. A Mangababu en Dhr. K Ravi Kumar voor hun onschatbare steun en hulp tijdens en na de laserablatie-experimenten in het laboratorium. We erkennen de succesvolle samenwerking van Dr. Prabhat Kumar Dwivedi, IIT Kanpur.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
AlloysLocal goldsmithN/A99% zuiver
AxiconThorlabsN/A100, IR-bereik, AR-gecoat, AX1210-B
EthanolSupelco, IndiaCAS Nr. 64-17-5
Femtosecond laserfemtosecond  (fs)  laser versterker  Libra HE, CoherentN/APulsduur 50 fs;
golflengte 800 nm;
Rep rate 1 KHz;
Pulsenergie: 4 mJ
FESEMCarl ZEISS, Ultra 55N/A
Gatan DM3www.gatan.comGatan Microscopy Suite 3.x
Gold target Sigma-Aldrich, India99% zuiver
HAuCl4.3H2OSigma-Aldrich, IndiaCAS Nr. 16961-25-4
Hoge resolutie translatie stagesNewport SPECTRA PHYSICS GMBIN/AM-443 High-Performance Low-Profile Ball Bearing Linear Stage;
De stage is slechts 1 inch hoog en heeft 2 inch verplaatsing. 
Micro RamanHoriba LabRAMN/AGrating-1.800 en 600 groeven/mm;
Golflengte van excitatie-785 nm, 632 nm, 532 nm, 325 nm;
Objectieven 10x, 20x, 50 x, 100x;
CCD-detector
SpiegelsEdmund OpticsN/AGeschikte spiegels voor specifieke golflengte van laser
Motion controllerNEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBIN/AESP300 Controller-3 assen controle
Originwww.originlab.comOrigin 2018
Picosecond laserEKSPLA 2251N/APulsduur 30ps;
golflengte 1064 nm, 532 nm, 355 nm;
Rep rate 10 Hz;
Pulsenergie: 1,5 tot 30 mJ
Planoconvex lensN/Abrandpuntsafstand 10 cm
Raman draagbaari-Raman plus,  B&W Tek, USAN/A785 nm, ~ 100 µm laser spot  vezel optische sondevoeding en verzameling
Silicon waferMacwin India Ltd.1–10 Ω-cm, p (100)-type
Zilverzout (AgNO3)Finar, IndiaCAS Nr. 7783-90-6 
Zilver targetSigma-Aldrich, IndiaCAS NR 7440-22-499% zuiver
TEMTecnai TEMN/A
TEM rastersSigma-Aldrich, IndiaTEM-CF200CUKoper Raster Koolstof Gecoat  200 mesh
ThiramSigma-Aldrich, IndiaCAS Nr. 137-26-8
UVJasco V-670N/A
XRDBruker D8 advanceN/A

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Ultrasnelle laserablatieSynthese van nanodeeltjesOppervlaktenanostructurenRaman sensingCollo dale nanodeeltjesLaserablatie in vloeistoffenKarakterisering van nanodeeltjesPlasmonresonantieSensing van gevaarlijke materialen

Gerelateerde artikelen