Artykuł metodologiczny

Ultraszybkie nanocząstki i nanostruktury z ablacją laserową do zastosowań w wykrywaniu opartym na rozpraszaniu Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym

DOI:

10.3791/65450

⸱

16 czerwca 2023

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Ultraszybka ablacja laserowa w cieczy to precyzyjna i wszechstronna technika syntezy nanomateriałów (nanocząstek [NPs] i nanostruktur [NSs]) w środowisku ciecz/powietrze. Nanomateriały ablowane laserowo mogą być funkcjonalizowane cząsteczkami aktywnymi Ramanem w celu wzmocnienia sygnału Ramana analitów umieszczonych na lub w pobliżu NS/NP.

Streszczenie

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

Technika ultraszybkiej ablacji laserowej w cieczach ewoluowała i dojrzała w ciągu ostatniej dekady, z kilkoma nadchodzącymi zastosowaniami w różnych dziedzinach, takich jak wykrywanie, kataliza i medycyna. Wyjątkową cechą tej techniki jest tworzenie nanocząstek (koloidów) i nanostruktur (ciał stałych) w jednym eksperymencie z ultrakrótkimi impulsami laserowymi. Pracowaliśmy nad tą techniką przez ostatnie kilka lat, badając jej potencjał przy użyciu techniki powierzchniowo wzmocnionego rozpraszania Ramana (SERS) w zastosowaniach związanych z wykrywaniem materiałów niebezpiecznych. Ultraszybkie substraty ablowane laserowo (ciała stałe i koloidy) mogą wykrywać kilka cząsteczek analitu na śladowych poziomach/postaci mieszaniny, w tym barwników, materiałów wybuchowych, pestycydów i biomolekuł. Poniżej przedstawiamy niektóre z wyników osiągniętych przy użyciu celów Ag, Au, Ag-A, i Si. Zoptymalizowaliśmy otrzymane nanostruktury (NS) i nanocząstki (NP) (w cieczach i powietrzu) przy użyciu różnych czasów trwania impulsów, długości fal, energii, kształtów impulsów i geometrii zapisu. W związku z tym przetestowano różne NS i NP pod kątem ich skuteczności w wykrywaniu wielu cząsteczek analitu za pomocą prostego, przenośnego spektrometru Ramana. Ta metodologia, po zoptymalizowaniu, toruje drogę do zastosowań czujników w terenie. Omawiamy protokoły w (a) syntezie NPs/NS poprzez ablację laserową, (b) charakterystyce NPs/NS oraz (c) ich wykorzystaniu w badaniach detekcyjnych opartych na SERS.

Wprowadzenie

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

Ultraszybka ablacja laserowa to szybko rozwijająca się dziedzina interakcji laser-materiał. Impulsy laserowe o wysokiej intensywności o czasie trwania impulsu w zakresie od femtosekundy (fs) do pikosekundy (ps) są wykorzystywane do generowania precyzyjnej ablacji materiału. W porównaniu z nanosekundowymi (ns) impulsami laserowymi impulsy laserowe ps mogą ablować materiały z większą precyzją i dokładnością ze względu na krótszy czas trwania impulsu. Mogą generować mniej szkód ubocznych, gruzu i zanieczyszczenia ablowanego materiału ze względu na mniejszą liczbę efektów termicznych. Jednak lasery ps są zazwyczaj droższe niż lasery ns i wymagają specjalistycznej wiedzy w zakresie obsługi i konserwacji. Ultraszybkie impulsy laserowe umożliwiają precyzyjną kontrolę nad osadzaniem energii, co prowadzi do wysoce zlokalizowanych i zminimalizowanych uszkodzeń termicznych otaczającego materiału. Dodatkowo, ultraszybka ablacja laserowa może prowadzić do wytworzenia unikalnych nanomateriałów (tj. środki powierzchniowo czynne/cappingujące nie są obowiązkowe podczas produkcji nanomateriałów). Dlatego możemy to nazwać zieloną metodą syntezy/wytwarzania1,2,3. Mechanizmy ultraszybkiej ablacji laserowej są skomplikowane. Technika ta obejmuje różne procesy fizyczne, takie jak (a) wzbudzenie elektronowe, (b) jonizacja i (c) generowanie gęstej plazmy, co skutkuje wyrzuceniem materiału z powierzchni4. Ablacja laserowa to prosty, jednoetapowy proces wytwarzania nanocząstek (NP) o wysokiej wydajności, wąskim rozkładzie wielkości i nanostrukturach (NS). Naser i wsp.5 przeprowadzili szczegółowy przegląd czynników wpływających na syntezę i produkcję nanocząsteczek za pomocą metody ablacji laserowej. Przegląd obejmował różne aspekty, takie jak parametry impulsu laserowego, warunki ogniskowania i medium ablacyjne. W przeglądzie omówiono również ich wpływ na wytwarzanie szerokiej gamy nanocząsteczek przy użyciu metody ablacji laserowej w cieczy (LAL). Nanomateriały ablowane laserowo są obiecującymi materiałami, mającymi zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak kataliza, elektronika, czujniki i biomedycyna, aplikacje do rozdzielania wody6,7,8,9,10,11,12,13,14.

Powierzchniowo wzmocnione rozpraszanie Ramana (SERS) to potężna technika analitycznego wykrywania, która znacznie wzmacnia sygnał Ramana z cząsteczek sondy/analitu zaadsorbowanych na metalicznych NS/NPs. SERS opiera się na wzbudzeniu powierzchniowych rezonansów plazmonowych w metalicznych nano-nano-NS, co powoduje znaczny wzrost lokalnego pola elektromagnetycznego w pobliżu metalicznych nano-obiektów. To wzmocnione pole oddziałuje z cząsteczkami zaadsorbowanymi na powierzchni, znacznie wzmacniając sygnał Ramana. Technika ta została wykorzystana do wykrywania różnych analitów, w tym barwników, materiałów wybuchowych, pestycydów, białek, DNA i leków15,16,17. W ostatnich latach poczyniono znaczne postępy w rozwoju podłoży SERS, w tym zastosowanie metalicznych NPs18,19 (nanopręty, nanogwiazdy i nanodruty), hybrydowe NSs20,21 (połączenie metalu z innymi materiałami, takimi jak Si22,23, GaAs24, Ti25, graphene26, MOS227, Fe28, itd.), a także elastyczne podłoża29,30 (papier, tkanina, nanowłókno itp.). Opracowanie tych nowych strategii w zakresie podłoży otworzyło nowe możliwości wykorzystania SERS w różnych zastosowaniach czasu rzeczywistego.

Ten protokół omawia wytwarzanie NPs Ag za pomocą lasera ps na różnych długościach fal oraz NPs ze stopu Ag-Au (o różnych proporcjach celów Ag i Au) wytwarzanych przy użyciu techniki ablacji laserowej w wodzie destylowanej. Dodatkowo mikro/nanostruktury krzemu są tworzone za pomocą lasera fs na krzemie w powietrzu. Te NP i NS są charakteryzowane za pomocą absorpcji w ultrafiolecie (UV), transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego (XRD) i skaningowej mikroskopii elektronowej z emisją pola (FESEM). Ponadto omówiono przygotowanie substratów SERS i cząsteczek analitu, a następnie zebrano widma Ramana i SERS cząsteczek analitu. Analiza danych jest przeprowadzana w celu określenia współczynnika wzmocnienia, czułości i odtwarzalności ablowanych laserowo nanos/NS jako czujników potencjału. Dodatkowo omówiono typowe badania SERS oraz oceniono wydajność SERS substratów hybrydowych. W szczególności odkryto, że czułość SERS obiecujących nanogwiazd złota może być zwiększona około 21-krotnie, jeśli jako podstawę zastosujemy krzem o strukturze laserowej zamiast gładkich powierzchni (takich jak Si/szkło).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

Typowy schemat blokowy protokołu zastosowania ultraszybkich ablowanych nanocząsteczek lub NS w śladowym wykrywaniu cząsteczek za pomocą SERS jest pokazany w Rysunek 1A.

1. Synteza metali NPs/NSs

UWAGA: W zależności od wymagania/zastosowania, wybierz materiał docelowy, otaczającą ciecz i parametry ablacji laserowej.
Tutaj:
Materiały docelowe: Ag
Otaczająca ciecz: 10 ml DI
Parametry lasera: 355/532/1064 nm; 30 szt.; 10 Hz; 15 mJ
Soczewka skupiająca: soczewka płasko-wypukła (ogniskowa: 10 cm)
Parametry stolika: 0,1 mm/s w kierunkach X i Y

  1. Czyszczenie próbki przed ablacją laserową
    1. Wykonaj czyszczenie ultradźwiękowe (40 kHz, 50 W, 30 °C) powierzchni docelowej za pomocą acetonu przez 15 minut, który usuwa różne materiały organiczne, w tym oleje, smary i woski.
    2. Następnie poddaj powierzchnię czyszczeniu ultradźwiękowemu etanolem przez kolejne 15 minut w celu usunięcia zanieczyszczeń polarnych, takich jak sole i cukry.
    3. Na koniec oczyść powierzchnię wodą dejonizowaną (DW) za pomocą czyszczenia ultradźwiękowego przez 15 minut, aby usunąć wszelkie pozostałe ślady rozpuszczalników lub zanieczyszczeń z powierzchni próbki.
      UWAGA: Te kroki pomogą wyeliminować wszelkie niepożądane zanieczyszczenia, które mogą znajdować się na powierzchni, zapewniając dokładną analizę.
  2. Pomiar masy próbki
    1. Zmierzyć masę próbki przed ablacją.
    2. Przeprowadzić eksperyment ablacji laserowej na próbce.
    3. Ponownie zmierzyć masę próbki po doświadczeniu ablacji.
    4. Porównując masę próbki przed i po ablacji, oszacuj ilość materiału, który został usunięty podczas eksperymentu. Informacje te będą przydatne w analizie właściwości materiału poddanego ablacji, takich jak stężenie i wydajność produktów poddanych ablacji.
  3. Dostosuj parametry lasera
    1. Dostosuj wejściową moc lasera tak, aby była większa niż próg ablacji próbki. W tym przypadku moc wejściowa ~150 mW została wykorzystana do ablacji laserowej ps celu Ag.
      UWAGA: Próg odnosi się do minimalnej energii na jednostkę powierzchni wymaganej do podgrzania materiału docelowego do punktu, w którym jest on odparowywany i przekształcany w plazmę.
    2. Połącz polaryzator i płytkę półfalową, aby dostosować energię impulsu laserowego. Rysunek 1B przedstawia schemat ultraszybkiej ablacji laserowej.
  4. Laserowa regulacja ostrości na powierzchni próbki
    1. Skoncentruj wiązkę laserową na próbce za pomocą soczewki skupiającej, aby dokonać ablacji powierzchni materiału.
    2. Dostosuj ostrość lasera na próbce ręcznie, używając stolika translacyjnego w kierunku Z, obserwując wytwarzaną jasną plazmę i emitujący dźwięk pękania.
      UWAGA: Aby zobrazować plazmę generowaną podczas eksperymentów z ablacją laserową, zdjęcia obu konfiguracji są dostarczone w Rysunek 2A: (i) ablacja laserowa w powietrzu i (ii) ablacja laserowa w cieczy (LAL).
  5. Różne rodzaje ustawiania ostrości
    UWAGA: Optyka skupiająca może pomóc w zwiększeniu gęstości energii wiązki lasera (tworzenia plazmy) na powierzchni próbki, prowadząc do bardziej wydajnej ablacji. Można stosować różne rodzaje optyki skupiającej, takie jak soczewki płasko-wypukłe, axicon31, soczewki cylindryczne itp.
    1. Użyj optyki skupiającej do skupienia wiązki laserowej na próbce, w zależności od konkretnych wymagań, takich jak osiągnięcie różnych głębokości ablacji, co pozwala na lepszą kontrolę nad syntezą NPs/NSs. Rysunek 2B pokazuje trzy warunki ogniskowania używane w LAL.
      UWAGA: Regulacja ostrości lasera na próbce podczas ablacji laserowej wymaga pewnych środków ostrożności w celu zapewnienia bezpieczeństwa i dokładności.
    2. Sprawdź i konserwuj sprzęt używany do manipulowania ostrością lasera, aby upewnić się, że działa prawidłowo.
    3. Dostosuj ostrość lasera bezpiecznie i dokładnie, aby zminimalizować ryzyko obrażeń lub uszkodzenia sprzętu.
      UWAGA: Wybór ogniskowej soczewek zależy od materiału użytego do ablacji laserowej, rodzaju lasera (czas trwania impulsu, wielkość wiązki), a także pożądanej wielkości plamki na powierzchni próbki.
  6. Obszar skanowania próbki
    1. Umieść próbkę na stopniach X-Y, które są podłączone do kontrolera ruchu ESP. Próbka porusza się prostopadle do kierunku rozchodzenia się lasera.
      UWAGA: Kontroler ruchu ESP służy do wykonywania skanowania rastrowego próbki w kierunkach X i Y, aby zapobiec ablacji jednopunktowej.
    2. Dostosuj prędkość skanowania (zwykle 0,1 mm/s dla lepszej wydajności nanocząsteczek metali) i obszar obróbki laserowej, aby zoptymalizować liczbę impulsów laserowych, które oddziałują z próbką, ponieważ wpływa to na wydajność nanocząsteczek.
    3. Aby osiągnąć pożądane wymiary i zapobiec ablacji jednopunktowej, należy wykonać modelowanie laserowe podczas skanowania próbki podczas procesu ablacji laserowej.
      UWAGA: Rysunek 3A, B ilustruje zdjęcie konfiguracji ablacji laserowej fs poprzez włączenie wiązek Gaussa i Bessela, odpowiednio.
  7. Ablacja laserowa w cieczy w celu syntezy metali NPs/NS
    1. Przeprowadź eksperyment z ablacją laserową po ustaleniu wszystkich pożądanych wymagań. Wykonaj czynności wymienione w krokach 1.1-1.6.
    2. Upewnij się, że monitorujesz moc lasera i inne ustawienia, aby upewnić się, że pozostają one spójne przez cały czas trwania eksperymentu.
    3. Stale obserwuj materiał docelowy podczas eksperymentu ablacji laserowej, aby upewnić się, że wiązka lasera pozostaje skupiona na żądanym obszarze.
      UWAGA: Rysunek 3A,B pokazuje eksperymentalne ustawienia ablacji laserowej fs do syntezy NP przy użyciu wiązki Gaussa i wiązki osiowej, odpowiednio. Do ogniskowania impulsów wejściowych użyto soczewki płasko-wypukłej. Powstawanie nanocząsteczek jest widoczne na zdjęciach uzyskanych w różnych momentach eksperymentu. Kolor roztworu wskazuje na tworzenie się nanocząsteczek, a zmiana koloru roztworu wskazuje na rosnącą wydajność nanocząsteczek (przedstawionych na rysunku Rysunek 4). Podczas pracy w laboratorium laserowym należy nosić okulary ochronne do lasera, używając wyłącznie zatwierdzonych laserowych okularów ochronnych o odpowiedniej długości fali. Każde rozproszone odbicie wiązki laserowej o dużej mocy w oku jest niezwykle niebezpieczne, powodując nieodwracalne uszkodzenia. Wiązka laserowa powinna być skierowana z dala od wszystkich osób w laboratorium laserowym. Elementy optyczne w konfiguracji nie zostały naruszone na stole optycznym. Próbka i etapy powinny być monitorowane podczas przeprowadzania doświadczeń.

2. Przechowywanie koloidalnych NPs/NS

  1. Zsyntetyzowane nanocząsteczki należy przechowywać w czystych szklanych butelkach, a NS w hermetycznych pojemnikach. Umieść oba w eksykatorze.
    UWAGA: Rysunek 5 pokazuje koloidalne NP o różnych kolorach syntetyzowane przez LAL poprzez połączenie różnych cieczy i celów. Tutaj Rysunek 5A,B wyświetla typowe fotografie różnych koloidalnych nanocząsteczek, w tym (i) metalowych NP-ów, Ag, Au i Cu NP w różnych rozpuszczalnikach, takich jak DW i NaCl; (ii) NP ze stopów metali, NP Ag-Au o różnym składzie, NP Ag-Cu i NP Au-Cu; oraz (iii) nanocząsteczki ze stopów metali i półprzewodników, nanocząsteczki tytanu-Au i krzemu-Au/Ag. Fotografie te ilustrują różnorodność nanocząsteczek, które można syntetyzować metodami koloidalnymi i prezentują unikalne właściwości optyczne nanocząsteczek ze stopów metalowo-półprzewodnikowych. Prawidłowe przechowywanie nanocząsteczek koloidalnych ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia ich stabilności i utrzymania ich właściwości. Butelki szklane są preferowane w stosunku do pojemników plastikowych lub metalowych, ponieważ nie reagują z NPs. NPs/NS powinny być przechowywane w pojemniku z ciasno przylegającą pokrywą, aby zminimalizować narażenie na powietrze i przechowywane w ciemnym miejscu, które chroni je przed światłem.

3. Charakterystyka laserowo ablowanych NPs/NS

UWAGA: Charakterystyka metalowych NS/NP jest niezbędna do zrozumienia ich właściwości i zapewnienia ich jakości, takich jak rozmiar, kształt, skład, itp.

  1. Spektroskopia absorpcyjna
    UWAGA: Spektroskopia absorpcyjna w zakresie widzialnym UV jest dobrze znaną techniką charakteryzowania nanocząsteczek metali. Jest uważany za szybki, prosty i nieinwazyjny, co czyni go cennym narzędziem do określania różnych właściwości nanocząsteczek. Położenie pików jest związane z różnymi właściwościami nanocząsteczek, takimi jak ich skład materiałowy, rozkład wielkości, kształt i otaczający ośrodek.
    1. Przygotowanie próbki do badań absorpcji w świetle widzialnym w promieniowaniu UV
      1. Przed zarejestrowaniem widma upewnij się, że NP są równomiernie rozmieszczone i zawieszone w roztworze. Napełnić kuwetę na próbkę 3 ml zawiesiny NP i kuwetą referencyjną wypełnioną rozpuszczalnikiem bazowym (w której nanocząsteczki są rozproszone). Upewnij się, że kuwety są czyste i wolne od zanieczyszczeń.
      2. Zebrać dane absorpcyjne (w zakresie widmowym od 200-900 nm) przy typowej wielkości kroku 1 nm.
  2. Analiza TEM
    UWAGA: Wielkość i kształt koloidalnego NP zbadano za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego, a następnie przeanalizowano za pomocą oprogramowania.
    1. Przygotowanie siatki TEM
      1. Za pomocą mikropipety delikatnie dozować około 2 μl metalowej zawiesiny NP na siatkę TEM pokrytą cienką warstwą węglową na cienkiej siatce miedzianej. Pozwól rozpuszczalnikowi naturalnie odparować w temperaturze pokojowej (RT).
        UWAGA: Do zbierania obrazów TEM wykorzystano napięcie przyspieszające 200 kV i prąd działa elektronowego ~100 μA. Mikrofotografie zebrano przy różnych powiększeniach 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 50 nm, 100 nm i 200 nm. Wykorzystano analizę TEM, aby określić wielkość i kształt nanocząsteczek.
  3. Analiza SEM
    UWAGA: Morfologię powierzchni ablowanych laserowo NS oraz osadzanie/skład ablowanych laserowo nanocząsteczek na gołych Si/NS badano za pomocą FESEM. Typowa fotografia próbki NS metalu/półprzewodnika/stopu NS poddanej ablacji laserowej jest pokazana na rysunku Rysunek 6.
    1. Przygotowanie próbki SEM: W celu scharakteryzowania SEM nanocząsteczek należy umieścić małą kropelkę zawiesiny NP na oczyszczonej płytce krzemowej, która służy jako uchwyt próbki. Następnie wysuszyć próbkę w temperaturze pokojowej.
    2. Metalowe NS należy stosować bezpośrednio do charakterystyki FESEM bez dalszego przygotowania do morfologii powierzchni.
      UWAGA: W przypadku zbierania obrazów FESEM wysokie napięcie elektronów wynosiło 3-5 kV, a odległość robocza wynosiła zwykle 5-7 mm, przy różnych powiększeniach 5 000x, 10 000x, 20 000x, 50 000x i 100 000x.
  4. Analiza XRD
    UWAGA: XRD jest powszechnie stosowaną techniką do charakteryzowania struktury krystalicznej i jakości kryształów nanocząsteczek.
    1. Przygotowanie próbki XRD
      1. Upuść 50-100 μl zawiesiny NP na szkiełko podstawowe. Ostrożnie dodawaj krople do środka szklanej próbki kropla po kropli. Dodawaj krople powoli w tym samym miejscu, aby upewnić się, że NP są rozprowadzone na szkle, aby uzyskać dobrej jakości dane XRD.
        UWAGA: Dane zostały zebrane w zakresie 3°-90° z rozmiarem kroku 0,01° w czasie trwania ~1 godziny. Zastosowana długość fali promieniowania rentgenowskiego wynosiła 1,54 A°, napięcie generatora wynosiło 40 kV, a prąd lampy wynosił 30 mA.
      2. Następnie wysuszyć próbkę w temperaturze pokojowej w celu uzyskania jednorodnej, cienkiej warstwy nanocząsteczek.
    2. Analiza danych XRD
      1. Analizuj pozycje pików XRD za pomocą kart Wspólnego Komitetu ds. Norm Dyfrakcji Proszków (JCPDS). Każda karta JCPDS zawiera informacje o strukturze krystalicznej konkretnego materiału, parametrach sieci i wzorze XRD.

4. Zastosowanie NPs/NSs

  1. Analiza Ramana
    1. Początkowo zbierz widma Ramana pożądanych cząsteczek analitu w postaci proszku. Przeanalizuj zebrane dane Ramanowskie, aby zidentyfikować piki widmowe odpowiadające modom wibracyjnym cząsteczki analitu.
  2. Przygotowanie roztworu podstawowego
    1. Potwierdź rozpuszczalność cząsteczek analitu w wybranym rozpuszczalniku. Następnie przygotuj roztwory podstawowe cząsteczek analitu z dokładnie zważonymi lub zmierzonymi ilościami.
    2. Na przykład, aby przygotować 50 mM roztwór podstawowy cząsteczki błękitu metylenowego (MB) w 5 ml etanolu:
      1. Oblicz potrzebną ilość proszku MB za pomocą wzoru: masa = stężenie (w mM) x objętość (w L) x masa cząsteczkowa (w g/mol). W tym przypadku masa = 50 mM x 0,005 L x 319 g/mol = 0,7995 g lub około 800 mg.
      2. Odważyć 800 mg proszku MB za pomocą wagi cyfrowej. Dodaj proszek do czystej szklanej butelki.
      3. Dodaj rozpuszczalnik do butelki i energicznie wstrząśnij, aby rozpuścić proszek. Szczelnie zamknij nakrętkę butelki i dokładnie wymieszaj roztwór.
  3. Gromadzenie danych ramanowskich
    1. Zbierz widma Ramana roztworu podstawowego, umieszczając 10 μl kropli roztworu podstawowego na kawałku czystej płytki krzemowej. Rysunek 7A przedstawia zdjęcie przenośnego spektrometru Ramana ze wzbudzeniem laserowym 785 nm.
  4. Przygotowanie cząsteczki analitu
    1. Za pomocą mikropipety rozcieńczyć roztwór podstawowy do różnych stężeń, dodając odpowiednią objętość rozpuszczalnika do szeregu szklanych fiolek, w zależności od zakresu stężeń będących przedmiotem zainteresowania.
    2. Przygotować serię rozcieńczeń z 50 mM roztworu podstawowego do końcowego stężenia, stosując wzór Cznany x Vznany = Cnieznany x Vnieznany.
  5. Przygotowanie podłoża SERS
    1. Aby przygotować podłoże SERS przy użyciu nanocząstek, umieść niewielką kroplę nanocząstek na czystej powierzchni krzemu i pozostaw do wyschnięcia. Następnie umieść niewielką kroplę pożądanej cząsteczki analitu na podłożu krzemowym pokrytym NP. Schemat przygotowania substratów SERS z wykorzystaniem NP, hybryd i metalowych NS pokazano w Rysunek 7B.
  6. Kolekcja widm SERS
    1. Zbierz dane SERS za pomocą przenośnego spektrometru Ramana ze źródłem wzbudzenia laserowego 785 nm. Porównaj piki Ramana cząsteczki analitu z widmami z pikami wzorców odniesienia (proszek i roztwór podstawowy).
  7. Analiza danych SERS
    1. Przetwarzaj uzyskane widma Ramana i SERS w celu korekcji tła, odejmowania sygnałów fluorescencyjnych, wygładzania sygnału i korekcji linii podstawowej.
      1. Zaimportuj plik tekstowy do oprogramowania ORIGIN, a następnie postępuj zgodnie z instrukcjami: analiza > wartości szczytowej i bazowej > analizatora pików > otwartego okna dialogowego > odejmowania linii bazowej > następnym > zdefiniowanym przez użytkownika > dodać punkt korekcji linii bazowej > wykonany > zakończ.
        UWAGA: Aby to osiągnąć, można napisać własny program w Matlabie/Pythonie.
    2. Przeanalizuj powstałe piki pod kątem ich położenia i intensywności, umieszczając czytnik/punkt adnotacji na szczycie (w ORIGIN).
    3. Przypisz piki do odpowiadających im przypisań trybu drgań Ramana w oparciu o ich charakterystykę spektralną, zbierając masowe widmo Ramana, przegląd literatury i/lub obliczenia teorii funkcjonału gęstości (DFT).
  8. Obliczanie czułości
    1. Obliczyć skalę współczynnika wzmocnienia (EF), zdefiniowaną jako stosunek intensywności sygnału Ramana uzyskanej z aktywnego substratu SERS do natężenia uzyskanego z substratu nieplazmonicznego dla określonego trybu Ramanowskiego cząsteczki analitu.
  9. Granica wykrywalności
    1. Przeprowadzić ilościową analizę SERS przy użyciu liniowej krzywej kalibracyjnej, która przedstawia zależność między stężeniem docelowego analitu a zmierzoną intensywnością sygnału Ramana.
      Granica wykrywalności (LOD) = 3 x (odchylenie standardowe szumu tła)/(nachylenie krzywej kalibracyjnej).
  10. Odtwarzalność
    UWAGA: Zdolność substratu do konsekwentnego wytwarzania tych samych lub podobnych sygnałów SERS dla danej cząsteczki analitu w tych samych warunkach eksperymentalnych jest określana jako odtwarzalność substratu SERS.
    1. Oblicz względne odchylenie standardowe (RSD) w następujący sposób: RSD = (odchylenie standardowe/średnia) x 100%
      UWAGA: Ogólnie rzecz biorąc, wartości RSD w zakresie 5%-20% są uważane za dopuszczalne dla większości eksperymentów SERS, ale niższe wartości RSD są często pożądane w przypadku bardziej ilościowych i wiarygodnych pomiarów SERS

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Nanocząsteczki srebra zostały zsyntetyzowane za pomocą ablacji laserowej ps w technice płynnej. W tym przypadku zastosowano system laserowy ps o czasie trwania impulsu ~30 ps, pracujący z częstotliwością powtarzania 10 Hz i o długości fali 1 355, 532 lub 1 064 nm. Energia impulsu wejściowego została dostosowana do 15 mJ. Impulsy laserowe były ogniskowane za pomocą soczewki płasko-wypukłej o ogniskowej 10 cm. Podczas ablacji laserowej ognisko lasera powinno znajdować się dokładnie na powierzchni materiału, poniew...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

W czyszczeniu ultradźwiękowym czyszczony materiał zanurza się w cieczy, a fale dźwiękowe o wysokiej częstotliwości są nakładane na ciecz za pomocą myjki ultradźwiękowej. Fale dźwiękowe powodują powstawanie i implozję maleńkich pęcherzyków w cieczy, generując intensywną lokalną energię i ciśnienie, które usuwają i usuwają brud i inne zanieczyszczenia z powierzchni materiału. W ablacji laserowej do dostrojenia energii lasera użyto polaryzatora Brewstera i płytki półfalowej; Polaryzator jest zwykle umieszczany przed płytką ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Dziękujemy Uniwersytetowi w Hyderabadzie za wsparcie poprzez projekt Instytutu Eminencji (IoE) UOH/IOE/RC1/RC1-2016. Grant IoE uzyskany vide powiadomienie F11/9/2019-U3(A) od MHRD, Indie. DRDO, Indie są uznane za źródło wsparcia finansowego za pośrednictwem ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Wyrażamy uznanie dla Szkoły Fizyki, UoH, za charakterystykę FESEM i urządzenia XRD. Chcielibyśmy wyrazić naszą szczerą wdzięczność prof. SVS Nageswara Rao i jego grupie za ich cenny wkład w współpracę i wsparcie. Chcielibyśmy wyrazić naszą wdzięczność byłym i obecnym członkom laboratorium: dr P. Gopala Krishna, dr Hamadowi Syedowi, dr Chandu Byramowi, panu S Sampathowi Kumarowi, pani Ch Bindu Madhuri, pani Reshmie Beeram, panu A Mangababu i panu K Ravi Kumarowi za ich nieocenione wsparcie i pomoc podczas i po eksperymentach z ablacją laserową w laboratorium. Wyrażamy uznanie dla udanej współpracy dr Prabhata Kumara Dwivediego, IIT Kanpur.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
StopyLokalny złotnikNie dotyczy99% czystości
AxiconThorlabsN/A100, zakres IR, powlekany AR, AX1210-B
EtanolSupelco, IndieNr CAS 64-17-5
Femtosekundowy laserfemtosekundowy  (fs)  Wzmacniacz laserowy  Waga HE, KoherentnaN/APuls podczas 50 fs;
długość fali 800 nm;
Wskaźnik powtórzeń 1 KHz;
Energia impulsu: 4 mJ
FESEMCarl ZEISS, Ultra 55N/A
Gatan DM3www.gatan.comGatan Microscopy Suite 3.x
Złoty cel Sigma-Aldrich, Indie99% czysty
HAuCl4.3H2OSigma-Aldrich, IndieNr CAS 16961-25-4
Stopnie translacyjne o wysokiej rozdzielczościNewport SPECTRA PHYSICS GMBIN/AM-443 Wysokowydajny niskoprofilowy stolik liniowy z łożyskiem kulkowym;
Scena ma tylko 1 cal wysokości i 2 cale skoku.
Krata Micro RamanHoriba LabRAMN/A- 1,800 i 600 rowków / mm;
Długość fali wzbudzenia - 785 nm, 632 nm, 532 nm, 325 nm; Obiektywy
10x, 20x, 50x, 100x;
Detektor CCD
LustraEdmund OpticsN/AOdpowiednie lustra dla określonej długości fali lasera
Kontroler ruchuNEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBIN/AKontroler ESP300-sterowanie 3 osiami
Originwww.originlab.comOrigin 2018
Laser pikosekundowyEKSPLA 2251N/AWytrzymałość impulsowa 30ps;
długość fali 1064 nm, 532 nm, 355 nm;
Częstotliwość powtórzeń 10 Hz;
Energia impulsu: 1,5 do 30 mJ
planowypukłaN/A Ogniskowa10 cm
Ramanaprzenośna i-Raman plus,  B& W Tek, USAN/A785 nm, ~ 100 µ M Plamka laserowa  wzbudzanie i zbieranie sondy światłowodowej
Wafel krzemowyMacwin India Ltd.1– 10 Ω-cm, p (100)-type
Sól srebra (AgNO3)Finar, IndieNr CAS 7783-90-6 
Srebrny celSigma-Aldrich, IndieNr CAS 7440-22-499% czysty
TEMTecnai TEMN/A
TEM siatkiSigma-Aldrich, IndieTEM-CF200CUSiatka miedziana pokryta węglem  200 mesh
ThiramSigma-Aldrich, IndieNr CAS 137-26-8
UVJasco V-670N/A
XRDBruker D8 advanceN/A
Soczewka

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Ultraszybka ablacja laserowasynteza nanocz steczeknanostruktury powierzchniowedetekcja Ramanowskananocz steczki koloidalneablacja laserowa w cieczachcharakterystyka nanocz steczekrezonans plazmonowydetekcja materia w niebezpiecznych

Powiązane artykuły