JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Engineering

Ultrahurtige laserablerede nanopartikler og nanostrukturer til overfladeforbedrede Raman-spredningsbaserede sensorapplikationer

Published: June 16, 2023
doi:
10.3791/65450
, , ,
1Advanced Centre for Research in High Energy Materials (ACRHEM), DRDO Industry Academia – Centre of Excellence (DIA-COE),University of Hyderabad

Summary

Ultrahurtig laserablation i væske er en præcis og alsidig teknik til syntetisering af nanomaterialer (nanopartikler [NP’er] og nanostrukturer [NS’er]) i væske-/luftmiljøer. De laserablerede nanomaterialer kan funktionaliseres med Raman-aktive molekyler for at forbedre Raman-signalet fra analysander placeret på eller i nærheden af NS’erne / NP’erne.

Abstract

Teknikken til ultrahurtig laserablation i væsker har udviklet sig og modnet i løbet af det sidste årti med flere forestående anvendelser inden for forskellige områder såsom sensing, katalyse og medicin. Det ekstraordinære træk ved denne teknik er dannelsen af nanopartikler (kolloider) og nanostrukturer (faste stoffer) i et enkelt eksperiment med ultrakorte laserimpulser. Vi har arbejdet på denne teknik i de sidste par år og undersøgt dens potentiale ved hjælp af den overfladeforbedrede Raman-spredningsteknik (SERS) i følsomme materialesensorapplikationer. Ultrahurtige laserablerede substrater (faste stoffer og kolloider) kunne detektere flere analysandmolekyler ved sporniveauerne / blandingsformen, herunder farvestoffer, sprængstoffer, pesticider og biomolekyler. Her præsenterer vi nogle af de opnåede resultater ved hjælp af målene for Ag, Au, Ag-Au og Si. Vi har optimeret nanostrukturer (NS’er) og nanopartikler (NP’er) opnået (i væsker og luft) ved hjælp af forskellige pulsvarigheder, bølgelængder, energier, pulsformer og skrivegeometrier. Således blev forskellige NS’er og NP’er testet for deres effektivitet til at detektere adskillige analysandmolekyler ved hjælp af et simpelt, bærbart Raman-spektrometer. Når denne metode er optimeret, baner den vejen for sensorapplikationer i marken. Vi diskuterer protokollerne i (a) syntetisering af NP’erne / NS’erne via laserablation, (b) karakterisering af NP’er / NS’er og (c) deres anvendelse i de SERS-baserede sensorstudier.

Introduction

Ultrahurtig laserablation er et hurtigt udviklende felt af lasermaterialeinteraktioner. Højintensive laserimpulser med pulsvarigheder i området femtosekund (fs) til picosekund (ps) bruges til at generere præcis materialeablation. Sammenlignet med nanosekund (ns) laserimpulser kan ps-laserimpulser ablatere materialer med højere præcision og nøjagtighed på grund af deres kortere pulsvarighed. De kan generere mindre sikkerhedsskader, snavs og forurening af det ablerede materiale på grund af færre termiske effekter. PS-lasere er dog typisk dyrere end ns-lasere og har brug for specialiseret ekspertise til drift og vedligeholdelse. De ultrahurtige laserimpulser muliggør præcis kontrol over energiaflejringen, hvilket fører til meget lokaliserede og minimerede termiske skader på det omgivende materiale. Desuden kan ultrahurtig laserablation føre til dannelse af unikke nanomaterialer (dvs. overfladeaktive stoffer/capping agents er ikke obligatoriske under produktionen af nanomaterialer). Derfor kan vi kalde dette en grøn syntese / fabrikationsmetode 1,2,3. Mekanismerne for ultrahurtig laserablation er indviklede. Teknikken involverer forskellige fysiske processer, såsom (a) elektronisk excitation, (b) ionisering og (c) dannelsen af et tæt plasma, hvilket resulterer i udstødning af materiale fra overfladen4. Laserablation er en simpel enkelttrinsproces til fremstilling af nanopartikler (NP’er) med højt udbytte, smal størrelsesfordeling og nanostrukturer (NS’er). Naser et al.5 gennemførte en detaljeret gennemgang af de faktorer, der påvirker syntesen og produktionen af NP’er gennem laserablationsmetoden. Gennemgangen dækkede forskellige aspekter, såsom parametrene for en laserpuls, fokuseringsbetingelser og ablationsmediet. Gennemgangen diskuterede også deres indvirkning på fremstilling af en bred vifte af NP’er ved hjælp af laserablation i væske (LAL) -metoden. De laserablerede nanomaterialer er lovende materialer med anvendelser inden for forskellige områder såsom katalyse, elektronik, sensing og biomedicinske, vandopdelingsapplikationer 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

Overfladeforstærket Raman-spredning (SERS) er en kraftfuld analytisk sensorteknik, der signifikant forbedrer Raman-signalet fra sonde / analytmolekyler adsorberet på metalliske NS’er / NP’er. SERS er baseret på excitation af overfladeplasmonresonanser i metalliske NP’er / NS’er, hvilket resulterer i en signifikant stigning i det lokale elektromagnetiske felt nær de metalliske nano-funktioner. Dette forbedrede felt interagerer med molekylerne adsorberet på overfladen, hvilket forbedrer Raman-signalet betydeligt. Denne teknik er blevet brugt til at detektere forskellige analysander, herunder farvestoffer, sprængstoffer, pesticider, proteiner, DNA og lægemidler15,16,17. I de senere år er der gjort betydelige fremskridt i udviklingen af SERS-substrater, herunder brugen af forskelligt formede metalliske NP’er 18,19 (nanoroder, nanostjerner og nanotråde), hybride NS’er20,21 (en kombination af metallet med andre materialer såsom Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafen 26, MOS227, Fe 28samt fleksible substrater29,30 (papir, klud, nanofiber osv.). Udviklingen af disse nye strategier i substraterne har åbnet nye muligheder for at bruge SERS i forskellige realtidsapplikationer.

Denne protokol diskuterer fremstillingen af Ag NP’er ved hjælp af en ps-laser ved forskellige bølgelængder og Ag-Au-legerings-NP’er (med forskellige forhold mellem Ag- og Au-mål) fremstillet ved hjælp af laserablationsteknik i destilleret vand. Derudover oprettes siliciummikro / nanostrukturer ved hjælp af en fs-laser på silicium i luften. Disse NP’er og NS’er er karakteriseret ved hjælp af ultraviolet (UV) synlig absorption, transmissionselektronmikroskopi (TEM), røntgendiffraktion (XRD) og feltemissionsscanningelektronmikroskopi (FESEM). Desuden diskuteres fremstillingen af SERS-substrater og analysandmolekyler, efterfulgt af indsamling af Raman- og SERS-spektre af analysandmolekylerne. Dataanalyse udføres for at bestemme forbedringsfaktoren, følsomheden og reproducerbarheden af de laserablerede NP’er / NS’er som potentielle sensorer. Derudover diskuteres typiske SERS-undersøgelser, og SERS-ydeevnen for hybridsubstrater evalueres. Specifikt har det vist sig, at de lovende guldnanostjerners SERS-følsomhed kan forbedres ca. 21 gange ved at bruge laserstruktureret silicium i stedet for glatte overflader (såsom Si / glas) som base.

Protocol

Figur 1A viser et typisk protokoldiagram over anvendelsen af ultrahurtige ablerede NP’er eller NS’er til spordetektion af molekyler via SERS. 1. Syntetisering af metal NP’er / NS’er BEMÆRK: Afhængigt af kravet/anvendelsen skal du vælge målmaterialet, den omgivende væske og laserablationsparametrene.Her:Målmaterialer: AgOmgivende væske: 10 ml DILaser parametre: 355/532/1064 nm; 30 ps; 10 Hz;…

Representative Results

Sølv NP’er blev syntetiseret via ps laser ablation i flydende teknik. Her blev der anvendt et ps-lasersystem med en pulsvarighed på ~30 ps, der opererer med en 10 Hz gentagelseshastighed og med en bølgelængde på en på 355, 532 eller 1.064 nm. Indgangsimpulsenergien blev justeret til 15 mJ. Laserimpulserne blev fokuseret ved hjælp af en plano-konveks linse med en brændvidde på 10 cm. Laserfokus skal være nøjagtigt på materialeoverfladen under laserablation, fordi laserenergien er mest koncentreret ved…

Discussion

Ved ultralydrensning nedsænkes materialet, der skal rengøres, i en væske, og højfrekvente lydbølger påføres væsken ved hjælp af en ultralydsrenser. Lydbølgerne forårsager dannelse og implosion af små bobler i væsken, hvilket genererer intens lokal energi og tryk, der løsner og fjerner snavs og andre forurenende stoffer fra materialets overflade. I laserablation blev en Brewster-polarisator og en halvbølgepladekombination brugt til at indstille laserenergien; Polarisatoren placeres typisk før halvbølgepla…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker University of Hyderabad for støtte gennem Institute of Eminence (IoE) projekt UOH / IOE / RC1 / RC1-2016. IoE-tilskuddet opnået vide anmeldelse F11/9/2019-U3 (A) fra MHRD, Indien. DRDO, Indien anerkendes for at finansiere støtte gennem ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Vi anerkender School of Physics, UoH, for FESEM karakterisering og XRD faciliteter. Vi vil gerne udtrykke vores oprigtige taknemmelighed til professor SVS Nageswara Rao og hans gruppe for deres værdifulde samarbejde, bidrag og støtte. Vi vil gerne udtrykke vores påskønnelse til tidligere og nuværende laboratoriemedlemmer Dr. P Gopala Krishna, Dr. Hamad Syed, Dr. Chandu Byram, Mr. S Sampath Kumar, Ms. Ch Bindu Madhuri, Ms. Reshma Beeram, Mr. A Mangababu og Mr. K Ravi Kumar for deres uvurderlige støtte og hjælp under og efter laserablationseksperimenterne i laboratoriet. Vi anerkender det vellykkede samarbejde mellem Dr. Prabhat Kumar Dwivedi, IIT Kanpur.

Materials

Alloys Local goldsmith N/A 99% pure
Axicon Thorlabs N/A 100, IR range, AR coated, AX1210-B
Ethanol Supelco, India CAS No. 64-17-5
Femtosecond laser femtosecond  (fs)  laser amplifier  Libra HE, Coherent N/A Pulse duraction 50 fs;
wavelenngth 800 nm;
Rep rate 1 KHz;
Pulse Energy: 4 mJ
FESEM Carl ZEISS, Ultra 55 N/A
Gatan DM3 www.gatan.com Gatan Microscopy Suite 3.x
Gold target  Sigma-Aldrich, India 99% pure
HAuCl4.3H2O Sigma-Aldrich, India CAS No. 16961-25-4
High resolution translational stages Newport SPECTRA PHYSICS GMBI N/A M-443 High-Performance Low-Profile Ball Bearing Linear Stage;
The stage is only 1 inch high, and has 2 inches of travel. 
Micro Raman Horiba LabRAM N/A Grating-1,800 and 600 grooves/mm;
Wavelength of excitation-785 nm,632 nm, 532 nm, 325 nm;
Objectives 10x, 20x, 50 x, 100x;
CCD detector
Mirrors Edmund Optics N/A Suitable mirrors for specific wavelength of laser
Motion controller NEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBI N/A ESP300 Controller-3 axes control
Origin www.originlab.com Origin 2018
Picosecond laser EKSPLA 2251 N/A Pulse duraction 30ps;
wavelenngth 1064 nm, 532 nm, 355 nm;
Rep rate 10 Hz;
Pulse Energy: 1.5 to 30 mJ
Planoconvex lens N/A focal length 10 cm
Raman portable i-Raman plus,  B&W Tek, USA N/A 785 nm, ~ 100 µm laser spot  fiber optic probe excitation and collection
Silicon wafer Macwin India Ltd. 1–10 Ω-cm, p (100)-type
Silver salt (AgNO3) Finar, India CAS No. 7783-90-6 
Silver target Sigma-Aldrich, India CAS NO 7440-22-4 99% pure
TEM Tecnai TEM N/A
TEM grids Sigma-Aldrich, India TEM-CF200CU Copper Grid Carbon Coated  200 mesh
Thiram Sigma-Aldrich, India CAS No. 137-26-8
UV Jasco V-670 N/A
XRD Bruker D8 advance N/A
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. , (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. , 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).

Tags

Keywords: Laser AblationNanoparticlesNanostructuresSurface-enhanced Raman ScatteringSensing ApplicationsNanomaterial FabricationLaser ParametersSynthesis MechanismsCatalysisElectronicsEnergy StorageBiomedical ImagingScalable ProductionHybrid NanomaterialsSurface FunctionalizationUltrafast Laser AblationMolecular Dynamic SimulationsTEM CharacterizationReal-time MonitoringAutomationSample PreparationContamination ControlData AnalysisGoldSilverZincTitaniumCopperSiliconGallium ArsenideGermaniumGraphene OxideHafniumBimetallicTrimetallicMetal Oxides
check_url/65450?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Moram, S. S. B., Rathod, J., Banerjee, D., Soma, V. R. Ultrafast Laser-Ablated Nanoparticles and Nanostructures for Surface-Enhanced Raman Scattering-Based Sensing Applications. J. Vis. Exp. (196), e65450, doi:10.3791/65450 (2023).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image