Ultraszybkie nanocząstki i nanostruktury z ablacją laserową do zastosowań w wykrywaniu opartym na rozpraszaniu Ramana ze wzmocnieniem powierzchniowym
16 czerwca 2023
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.
Technika ablacji laserowej i cieczy koncentruje się na syntezie nanocząstek i nanostruktur poprzez ablację materiału docelowego w środowisku ciekłym lub gazowym, tworząc przyjazne dla środowiska nanocząstki bez żadnych środków powierzchniowo czynnych. Ten zakres badań obejmuje dopracowanie parametrów lasera, analizę właściwości nanocząstek, badanie mechanizmów syntezy i odkrywanie zastosowań w różnych dziedzinach, takich jak kataliza, wykrywanie, elektronika, magazynowanie energii i obrazowanie biomedyczne. Najnowsze osiągnięcia w dziedzinie ablacji laserowej do wytwarzania nanomateriałów obejmują dostosowanie rozmiarów, kształtów i składu nanocząstek, skalowalne metody produkcji, hybrydową syntezę nanomateriałów i funkcjonalizację powierzchni.
Postępy te zapewniają lepszą stabilność, wydłużony okres trwałości, wysoką skalowalność do kilku gramów na godzinę oraz komercyjnie opłacalną produkcję nanocząstek koloidalnych i nanostruktur powierzchniowych do różnych zastosowań. W ostatnim czasie wdrożono różne inne improwizacje, takie jak ultraszybkie procesy ablacji wiązką naczyń krwionośnych i wiązką wirową, w celu wygenerowania egzotycznych nanostruktur, a także nanocząstek, o dostrajalnych kształtach, rozmiarach i topografiach. Technologie przyspieszające syntezę nanocząstek za pomocą ultraszybkiej ablacji laserowej obejmują symulacje dynamiki molekularnej w celu zrozumienia powstawania tych nanocząstek, precyzyjną kontrolę w celu dostosowania rozmiaru, kształtu i składu nanocząstek w charakterystyce C-2 TEM oraz techniki monitorowania w czasie rzeczywistym.
Wyzwania eksperymentalne to techniki automatyzacji dzięki ulepszonemu oprzyrządowaniu i technologii, rozwiązanie początkowych kosztów założenia samej techniki ablacji laserowej, zapewnienie prawidłowego przygotowania próbki, kontrola zanieczyszczenia oraz ogłaszanie analizy i interpretacji danych w celu zwiększenia dokładności i wiarygodności wyników. W naszym laboratorium badaliśmy różne materiały, takie jak złoto, srebro,, tytan, miedź, krzem, arsenek galu, german, rafkasanid, aphnea oraz różne mononukleotydy bimetaliczne, trimetaliczne i plazmowe. Eksperymenty z ablacją laserową przeprowadzono w różnych środowiskach przy użyciu różnych warunków ogniskowania w celu precyzyjnego przetwarzania materiału i syntezy nanocząstek.
Aby rozpocząć, wybierz materiał docelowy i otaczającą go ciecz. Wykonaj ultradźwiękowe czyszczenie powierzchni docelowej za pomocą acetonu przez 15 minut, aby usunąć materiały organiczne, takie jak oleje, smary i woski. Poddaj powierzchnię czyszczeniu ultradźwiękowemu etanolem przez kolejne 15 minut w celu usunięcia zanieczyszczeń polarnych, takich jak sole i cukry, a następnie oczyść powierzchnię wodą dejonizowaną, stosując czyszczenie ultradźwiękowe przez 15 minut, aby usunąć wszelkie pozostałości rozpuszczalników lub zanieczyszczeń z powierzchni próbki.
Zmierz masę próbki przed ablacją, a następnie przeprowadź eksperyment ablacji laserowej na próbce. Ponownie zmierzyć masę próbki po doświadczeniu ablacji. Oszacuj ilość materiału usuniętego podczas eksperymentu, porównując masę próbki przed i po ablacji.
Następnie dostosuj wejściową moc lasera do około 150 miliwatów do pikosekundowej ablacji laserowej srebrnego celu. Połącz polaryzator i płytkę półfalową, aby dostosować energię impulsu laserowego. Skoncentruj wiązkę laserową na próbce za pomocą soczewki skupiającej, aby dokonać ablacji powierzchni materiału.
Ręcznie dostosuj ostrość lasera na próbce za pomocą stolika translacyjnego w kierunku Z, obserwując wytwarzaną jasną plazmę i wydobywający się dźwięk pękania. Następnie użyj optyki skupiającej, aby skupić wiązkę laserową na próbce, w zależności od uzyskania różnych głębokości ablacji i poprawy kontroli nad syntezą nanocząstek i nanostruktur. Umieść próbkę na stoliku XY podłączonym do sterownika ESP, upewniając się, że porusza się prostopadle do kierunku propagacji lasera.
Dostosuj prędkość skanowania i obszar obróbki laserowej, aby zoptymalizować liczbę impulsów laserowych oddziałujących z próbką. Podczas procesu ablacji laserowej należy wykonać modelowanie laserowe podczas skanowania próbki, aby osiągnąć pożądane wymiary i zapobiec ablacji jednopunktowej. Następnie, w celu ablacji laserowej w cieczy, przeprowadź eksperyment z ablacją laserową.
Monitoruj moc lasera i inne ustawienia, aby zachować spójność. Stale obserwuj materiał docelowy podczas eksperymentu, upewniając się, że wiązka lasera pozostaje skupiona na żądanym obszarze. Widma absorpcyjne koloidalnych nanocząstek srebra ujawniły, że piki powierzchniowego rezonansu plazminy obserwowano na 420, 394 i 403 nanometrach dla różnych długości fal lasera.
Znormalizowane widma absorbancji nanocząstek ze stopu srebra i złota o różnym składzie ujawniły przesunięcie piku rezonansu plazminy powierzchniowej z 410 do 519 nanometrów, ponieważ procent złota wzrósł od zera do 100.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Ultraszybka ablacja laserowa w cieczy to precyzyjna technika syntezy nanocząstek i nanostruktur w różnych środowiskach. Metoda ta pozwala na tworzenie ekologicznych nanomateriałów bez użycia surfaktantów i umożliwia funkcjonalizację cząsteczkami aktywnymi w spektroskopii Raman w celu wzmocnienia detekcji sygnału.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Synteza nanomateriałów
- Techniki ablacji laserowej
- Zastosowania nanocząstek
Wprowadzenie
- Koncentracja na syntezie nanocząsteczek i nanostruktur.
- Badania obejmują optymalizację parametrów lasera oraz analizę właściwości.
- Zastosowania obejmują katalizę, sensorykę, elektronikę oraz obrazowanie biomedyczne.
- Ostatnie osiągnięcia obejmują skalowalną produkcję oraz syntezę hybrydowych nanomateriałów.
Cel badania
- Zbadanie mechanizmów syntezy nanocząsteczek.
- Poprawa stabilności i skalowalności nanomateriałów.
- Opracowanie komercyjnie opłacalnych metod produkcji dla różnorodnych zastosowań.
Zastosowane metody
- Ultraszybka ablacja laserowa w środowiskach ciekłych.
- Symulacje dynamiki molekularnej w celu badania powstawania nanocząstek.
- Techniki monitorowania w czasie rzeczywistym do kontroli syntezy.
- Charakterystyka C-2 TEM w celu dostosowania właściwości nanocząstek.
Główne wyniki
- Ulepszona kontrola nad rozmiarem, kształtem i składem nanocząsteczek.
- Szybkość produkcji skalowalna do poziomu gramów na godzinę.
- Opracowanie egzotycznych nanostruktur o regulowanych właściwościach.
- Zwiększona stabilność i czas trwałości koloidalnych nanocząsteczek.
Wnioski
- Ultraszybka ablacja laserowa jest wszechstronną metodą syntezy nanomateriałów.
- Postępy w technikach prowadzą do lepszej kontroli i skalowalności.
- Potencjalne zastosowania w różnych dziedzinach podkreślają znaczenie tej metody.
Najczęściej Zadawane Pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ultraszybka ablacja laserowa umożliwia szybką, bezturfaktantową syntezę nanocząstek i nanostruktur o regulowanych właściwościach, co bezpośrednio wspiera zaawansowane platformy detekcyjne oparte na technice SERS. Możliwość ta usprawnia wczesne wykrywanie niebezpiecznych analitów, zapewniając wiarygodność prognostyczną w procesach odkrywania leków biofarmaceutycznych oraz w procedurach bezpieczeństwa. Skalowalność i powtarzalność tej metody sprawiają, że stanowi ona wielokrotnie wykorzystywalne narzędzie w zakresie innowacji analitycznych w całym portfolio badawczym.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia badanie oddziaływań molekularnych z wykorzystaniem podłoży aktywnych w SERS do detekcji analitytów.
- Pomaga w ograniczaniu ryzyka biologicznego poprzez wspieranie identyfikacji śladowych ilości różnorodnych cząsteczek.
- Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie wiązania celu dzięki czułym, ilościowym odczytom.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Zapewnia standaryzowane podłoża nanostrukturalne dla powtarzalnych analiz opartych na SERS.
- Wspiera skalowalność analiz i ponowne wykorzystanie platformy dzięki wysokoprzepustowej syntezie nanocząstek.
- Umożliwia wiarygodną ocenę związków poprzez zwiększenie czułości detekcji sygnału Ramanowskiego.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Jest zgodne ze strategiami w zakresie biomarkerów translacyjnych, umożliwiając detekcję biomolekuł w ilościach śladowych.
- Zapewnia ciągłość od etapu odkryć do walidacji przedklinicznej dzięki wiarygodnym wynikom analitycznym.
- Zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w identyfikacji analitytów, co pozwala na postęp w badaniach z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Integracja potoku i przepływu pracy
Nanomateriały otrzymywane poprzez ultraszybką ablację laserową integrują się z kontinuum od odkrycia do badań przedklinicznych jako narzędzia umożliwiające detekcję opartą na SERS, wspierając zarówno testowanie hipotez, jak i późniejszy rozwój testów analitycznych.
- Biologia odkrywcza: Usprawnia testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków metabolicznych dzięki czułemu wykrywaniu analitów.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalne, ilościowe wyniki SERS w celu przygotowania do analizy.
- Analityka: Zapewnia pomiary widmowe i dane statystyczne do porównywania warunków.
- Badania translacyjne: Wspiera dopasowanie biomarkerów i ciągłość badań przedklinicznych w sytuacjach wymagających wykrywania śladowego.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Oferuje skalowalną, zestandaryzowaną platformę do powtarzalnych wdrożeń analitycznych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną i redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w detekcji analitytu.
- Wartość operacyjna: Umożliwia standaryzację, powtarzalność i skalowalność wysokoprzepustową w syntezie nanocząstek.
- Wartość strategiczna: Poprawia procesy podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) oraz efektywność kapitałową poprzez wsparcie odpornych procesów analitycznych.
- Wpływ na portfolio: Ułatwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko oraz rozwój projektów w ramach portfolio badań nad odkrywaniem leków i bezpieczeństwem.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga doświadczenia w obsłudze aparatury do ablacji laserowej oraz w charakteryzacji nanocząsteczek.
- Wymaga dostępu do spektrometrii Ramanowskiej i infrastruktury do monitorowania w czasie rzeczywistym.
- Konieczna jest standaryzacja międzyzespołowa w zakresie przygotowania podłoży i analizy danych.
- Adaptacja do różnych materiałów docelowych i klas analitów może wymagać optymalizacji protokołu.
- Praktycznymi kwestiami przy wdrażaniu są początkowe koszty uruchomienia oraz kontrola zanieczyszczeń.
