Сверхбыстрые наночастицы и наноструктуры с лазерной абляцией для поверхностного зондирования на основе комбинационного рассеяния
16 июня 2023 г.
Сверхбыстрая лазерная абляция в жидкости является точным и универсальным методом синтеза наноматериалов (наночастиц [НЧ] и наноструктур [НС]) в жидко-воздушных средах. Наноматериалы, полученные с помощью лазерной абляции, могут быть функционализированы комбинацион-активными молекулами для усиления рамановского сигнала аналитов, размещенных на NS/NP или рядом с ними.
Метод лазерной абляции и жидкостей основан на синтезе наночастиц и наноструктур путем абляции материала-мишени в жидкой или газовой среде, образуя экологически чистые наночастицы без каких-либо поверхностно-активных веществ. Эта область исследований включает в себя уточнение параметров лазера, анализ свойств наночастиц, изучение механизмов синтеза и поиск приложений в различных областях, таких как катализ, сенсорика, электроника, хранение энергии и биомедицинская визуализация. Последние разработки в области лазерной абляции для изготовления наноматериалов включают адаптацию размеров, форм и состава наночастиц, масштабируемые методы производства, синтез гибридных наноматериалов и функционализацию поверхности.
Эти достижения обеспечивают улучшенную стабильность, увеличенный срок годности, высокую масштабируемость до нескольких граммов в час, а также коммерчески жизнеспособное производство коллоидных наночастиц и поверхностных наноструктур для различных применений. В последнее время были реализованы различные другие импровизации, такие как сверхбыстрые процессы сосудистого пучка и вихревого пучка для создания экзотических наноструктур, а также наночастиц с настраиваемыми формами, размерами и топологией. Технологии, способствующие синтезу наночастиц с помощью сверхбыстрой лазерной абляции, включают молекулярно-динамическое моделирование для понимания образования этих наночастиц.
Точный контроль для адаптации размера, формы и состава наночастиц при определении характеристик C.2 TEM и методах мониторинга в режиме реального времени. Экспериментальные задачи включают в себя методы автоматизации за счет усовершенствованных приборов и технологий, решение первоначальных затрат на внедрение самого метода лазерной абляции, обеспечение надлежащей пробоподготовки, контроль загрязнения, а также объявление анализа и интерпретации данных для повышения точности и надежности результатов. В нашей лаборатории мы исследовали различные материалы, такие как золото, серебро, цинк, титан, медь, силикон, арсенид галлия, германий, оксид графена, гафний, а также различные оксиды металлов, триметаллов и монооксидов различных биомов.
Эксперименты по лазерной абляции проводились в различных средах с использованием различных условий фокусировки для точной обработки материала и синтеза наночастиц.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Ультрабыстрая лазерная абляция в жидкости представляет собой высокоточный метод синтеза наночастиц и наноструктур в различных средах. Данный метод позволяет создавать экологически безопасные наноматериалы без использования поверхностно-активных веществ и обеспечивает возможность функционализации Раман-активными молекулами для усиления детектирования сигнала.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Синтез наноматериалов
- Методы лазерной абляции
- Применение наночастиц
Теоретические сведения
- Основное внимание уделяется синтезу наночастиц и наноструктур.
- Исследования включают оптимизацию параметров лазера и анализ свойств.
- Области применения охватывают катализ, сенсорику, электронику и биомедицинскую визуализацию.
- Последние достижения включают масштабируемое производство и синтез гибридных наноматериалов.
Цель исследования
- Изучение механизмов синтеза наночастиц.
- Повышение стабильности и масштабируемости наноматериалов.
- Разработка коммерчески выгодных методов производства для различных областей применения.
Используемые методы
- Ультрабыстрая лазерная абляция в жидких средах.
- Моделирование молекулярной динамики для изучения формирования наночастиц.
- Методы мониторинга в режиме реального времени для контроля синтеза.
- Характеристика с помощью ПЭМ высокого разрешения (C-2 TEM) для настройки свойств наночастиц.
Основные результаты
- Улучшенный контроль размера, формы и состава наночастиц.
- Скорость производства, масштабируемая до граммов в час.
- Разработка экзотических наноструктур с настраиваемыми свойствами.
- Повышенная стабильность и срок хранения коллоидных наночастиц.
Выводы
- Ультрабыстрая лазерная абляция представляет собой универсальный метод синтеза наноматериалов.
- Совершенствование технических приемов обеспечивает лучший контроль и масштабируемость процесса.
- Потенциальные возможности применения в различных областях подчеркивают значимость данного метода.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Сверхбыстрая лазерная абляция позволяет осуществлять быстрый синтез наночастиц и наноструктур с регулируемыми свойствами без использования ПАВ, что напрямую способствует созданию передовых сенсорных платформ на основе SERS. Эта возможность улучшает обнаружение опасных аналитов на ранних стадиях, обеспечивая прогностическую достоверность для рабочих процессов по поиску и обеспечению безопасности биофармацевтических препаратов. Масштабируемость и воспроизводимость данного метода делают его ценным многократным ресурсом для аналитических инноваций в рамках всего портфеля разработок.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Облегчает исследование молекулярных взаимодействий с помощью SERS-активных подложек для детектирования аналита.
- Снижает биологические риски, обеспечивая идентификацию различных молекул на следовых уровнях.
- Повышает достоверность прогнозов взаимодействия с мишенью за счет чувствительных количественных показателей.
Скрининг и разработка анализа
- Обеспечивает использование стандартизированных наноструктурированных подложек для воспроизводимых анализов на основе SERS.
- Поддерживает масштабируемость анализа и повторное использование платформы благодаря высокопроизводительному синтезу наночастиц.
- Обеспечивает надежную оценку соединений за счет повышения чувствительности детектирования рамановского сигнала.
Трансляционные и доклинические исследования
- Соответствует стратегиям трансляционных биомаркеров, обеспечивая обнаружение биомолекул на следовых уровнях.
- Поддерживает непрерывность процесса от этапа открытия до доклинической валидации за счет надежных аналитических результатов.
- Снижает механистическую неопределенность при идентификации аналита для продвижения проекта с учетом рисков.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Наноматериалы, полученные методом ультрабыстрой лазерной абляции, интегрируются в процесс от фундаментальных открытий до доклинических исследований в качестве вспомогательных инструментов для детектирования на основе SERS, поддерживая как проверку гипотез, так и разработку последующих аналитических методов.
- Открывающая биология: улучшает проверку гипотез и уточнение метаболических путей за счет высокочувствительного детектирования аналитов.
- Скрининг: обеспечивает воспроизводимые количественные результаты SERS для подготовки анализа.
- Аналитика: предоставляет спектральные измерения и статистические данные для сравнения условий.
- Трансляционные исследования: поддерживает согласование биомаркеров и преклиническую преемственность в случаях, когда требуется детектирование следовых количеств.
- Корпоративное повторное использование: предлагает масштабируемую стандартизированную платформу для многократного аналитического применения.
Операционное и корпоративное влияние
- Научная ценность: Повышает точность прогнозирования и снижает механистическую неопределенность при детектировании аналита.
- Операционная ценность: Обеспечивает стандартизацию, воспроизводимость и высокую пропускную способность при синтезе наночастиц.
- Стратегическая ценность: Оптимизирует принятие решений о целесообразности дальнейшей разработки («go/no-go») и повышает эффективность использования капитала за счет поддержки надежных аналитических рабочих процессов.
- Влияние на портфель: Способствует приоритизации с учетом рисков и продвижению проектов в рамках портфелей по поиску новых соединений и обеспечению безопасности.
Особенности реализации
- Требуется опыт работы с оборудованием для лазерной абляции и методами характеристики наночастиц.
- Необходим доступ к рамановской спектрометрии и инфраструктуре мониторинга в реальном времени.
- Требуется межкомандная стандартизация подготовки подложек и анализа данных.
- Адаптация метода под различные материалы мишеней и классы аналитов может потребовать оптимизации протокола.
- Первоначальные затраты на установку и контроль загрязнений являются важными практическими аспектами при внедрении.
