Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Ultrasnabba laserablaterade nanopartiklar och nanostrukturer för ytförstärkta Raman-spridningsbaserade avkänningsapplikationer

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

Summary

Ultrasnabb laserablation i vätska är en exakt och mångsidig teknik för att syntetisera nanomaterial (nanopartiklar [NP] och nanostrukturer [NS]) i vätske-/luftmiljöer. De laserablerade nanomaterialen kan funktionaliseras med Raman-aktiva molekyler för att förstärka Raman-signalen från analyter placerade på eller nära NS/NP.

Abstract

Tekniken för ultrasnabb laserablation i vätskor har utvecklats och mognat under det senaste decenniet, med flera förestående tillämpningar inom olika områden som avkänning, katalys och medicin. Det exceptionella med denna teknik är bildandet av nanopartiklar (kolloider) och nanostrukturer (fasta ämnen) i ett enda experiment med ultrakorta laserpulser. Vi har arbetat med denna teknik under de senaste åren och undersökt dess potential med hjälp av SERS-tekniken (Surface-Enhanced Raman Scattering) i avkänningsapplikationer för farliga material. Ultrasnabba laserablerade substrat (fasta ämnen och kolloider) kan detektera flera analytmolekyler på spårnivåerna/blandningsformen, inklusive färgämnen, sprängämnen, bekämpningsmedel och biomolekyler. Här presenterar vi några av de resultat som uppnåtts med hjälp av målen Ag, Au, Ag-Au och Si. Vi har optimerat de nanostrukturer (NS) och nanopartiklar (NP) som erhålls (i vätskor och luft) med hjälp av olika pulslängder, våglängder, energier, pulsformer och skrivgeometrier. Således testades olika NS och NP för deras effektivitet när det gäller att känna av många analytmolekyler med hjälp av en enkel, bärbar Raman-spektrometer. Denna metod, när den väl har optimerats, banar väg för avkänningsapplikationer på fältet. Vi diskuterar protokollen för att (a) syntetisera NP/NS via laserablation, (b) karakterisera NP/NS och (c) deras användning i de SERS-baserade avkänningsstudierna.

Introduction

Ultrasnabb laserablation är ett snabbt växande område för laser-materialinteraktioner. Högintensiva laserpulser med pulslängder i femtosekund (fs) till pikosekund (ps) används för att generera exakt materialablation. Jämfört med nanosekund (ns) laserpulser kan ps-laserpulser ablatera material med högre precision och noggrannhet på grund av deras kortare pulslängd. De kan generera mindre sidoskador, skräp och kontaminering av det ablerade materialet på grund av färre termiska effekter. PS-lasrar är dock vanligtvis dyrare än ns-lasrar och kräver specialiserad expertis för drift och underhåll. De ultrasnabba laserpulserna möjliggör exakt kontroll över energideponeringen, vilket leder till mycket lokala och minimerade termiska skador på det omgivande materialet. Dessutom kan ultrasnabb laserablation leda till generering av unika nanomaterial (dvs. ytaktiva ämnen/kapsyleringsmedel är inte obligatoriska vid tillverkning av nanomaterial). Därför kan vi benämna detta som en grön syntes/tillverkningsmetod 1,2,3. Mekanismerna för ultrasnabb laserablation är invecklade. Tekniken involverar olika fysikaliska processer, såsom (a) elektronisk excitation, (b) jonisering och (c) generering av ett tätt plasma, vilket resulterar i att material kastas ut från ytan4. Laserablation är en enkel enstegsprocess för att producera nanopartiklar (NP) med högt utbyte, smal storleksfördelning och nanostrukturer (NS). Naser et al.5 genomförde en detaljerad genomgång av de faktorer som påverkar syntesen och produktionen av NP genom laserablationsmetoden. Granskningen omfattade olika aspekter, såsom parametrarna för en laserpuls, fokuseringsförhållanden och ablationsmediet. Granskningen diskuterade också deras inverkan på produktionen av ett brett spektrum av NP med hjälp av laserablation i vätska (LAL) -metoden. De laserablerade nanomaterialen är lovande material, med tillämpningar inom olika områden som katalys, elektronik, avkänning och biomedicinska, vattenspjälkande tillämpningar 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

Ytförstärkt Raman-spridning (SERS) är en kraftfull analytisk avkänningsteknik som avsevärt förbättrar Raman-signalen från sond-/analytmolekyler som adsorberas på metalliska NS/NPs. SERS är baserad på excitation av ytplasmonresonanser i metalliska NPs/NSs, vilket resulterar i en signifikant ökning av det lokala elektromagnetiska fältet nära de metalliska nanoegenskaperna. Detta förbättrade fält interagerar med molekylerna som adsorberas på ytan, vilket avsevärt förstärker Raman-signalen. Denna teknik har använts för att detektera olika analyter, inklusive färgämnen, sprängämnen, bekämpningsmedel, proteiner, DNA och droger15,16,17. Under de senaste åren har betydande framsteg gjorts i utvecklingen av SERS-substrat, inklusive användningen av olikformade metalliska NP 18,19 (nanostavar, nanostjärnor och nanotrådar), hybrid-NS20,21 (en kombination av metallen med andra material som Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafen 26, MOS227, Fe 28, etc.), samt flexibla substrat29,30 (papper, tyg, nanofiber, etc.). Att utveckla dessa nya strategier i substraten har öppnat upp nya möjligheter för att använda SERS i olika realtidsapplikationer.

Detta protokoll diskuterar tillverkningen av Ag NP med hjälp av en ps-laser vid olika våglängder och Ag-Au-legerings-NP (med olika förhållanden av Ag- och Au-mål) tillverkade med laserablationsteknik i destillerat vatten. Dessutom skapas mikro/nanostrukturer av kisel med hjälp av en fs-laser på kisel i luften. Dessa NP och NS karakteriseras med hjälp av ultraviolett (UV)-synlig absorption, transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD) och fältemissionssvepelektronmikroskopi (FESEM). Vidare diskuteras framställning av SERS-substrat och analytmolekyler, följt av insamling av Raman- och SERS-spektra av analytmolekylerna. Dataanalys utförs för att bestämma förstärkningsfaktorn, känsligheten och reproducerbarheten hos de laserablerade NP/NS:erna som potentiella sensorer. Dessutom diskuteras typiska SERS-studier och SERS-prestanda för hybridsubstrat utvärderas. Specifikt har det visat sig att de lovande guldnanostjärnornas SERS-känslighet kan förbättras cirka 21 gånger genom att använda laserstrukturerat kisel istället för släta ytor (som Si/glas) som bas.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Ett typiskt protokollflödesschema för tillämpningen av ultrasnabba ablerade NP eller NS vid spårdetektion av molekyler via SERS visas i figur 1A.

1. Syntetisering av metall NP/NS

OBS: Beroende på krav/applikation, välj målmaterial, den omgivande vätskan och laserablationsparametrarna.
Här:
Målmaterial: Ag
Omgivande vätska: 10 ml DI
Laserparametrar: 355/532/1064 nm; 30 p/s; 10 Hz; 15 mJ
Fokuseringslins: Plano-konvex lins (brännvidd: 10 cm)
Stegparametrar: 0,1 mm/s i X- och Y-riktningarna

  1. Provrengöring före laserablation
    1. Utför ultraljudsrengöring (40 kHz, 50 W, 30 °C) av målytan med aceton i 15 minuter, vilket tar bort olika organiska material, inklusive oljor, fetter och vaxer.
    2. Utsätt sedan ytan för ultraljudsrengöring med etanol i ytterligare 15 minuter för att avlägsna polära föroreningar, såsom salter och sockerarter.
    3. Rengör slutligen ytan med avjoniserat vatten (DW) med ultraljudsrengöring i 15 minuter för att ta bort eventuella kvarvarande spår av lösningsmedel eller föroreningar från provets yta.
      OBS: Dessa steg hjälper till att eliminera oönskade föroreningar som kan finnas på ytan, vilket säkerställer korrekt analys.
  2. Mätning av provets vikt
    1. Mät provets vikt före ablation.
    2. Utför laserablationsexperimentet på provet.
    3. Mät provets vikt igen efter ablationsexperimentet.
    4. Genom att jämföra provets vikt före och efter ablation, uppskatta mängden material som avlägsnades under experimentet. Denna information kommer att vara användbar för att analysera egenskaperna hos det ablerade materialet, såsom koncentrationen och utbytet av de ablerade produkterna.
  3. Justera laserparametrarna
    1. Justera ingångslasereffekten så att den är större än ablationströskeln för sample. Här användes en ineffekt på ~150 mW för ps-laserablation av Ag-målet.
      OBS: Tröskeln avser den minsta energi per ytenhet som krävs för att värma målmaterialet till den punkt där det förångas och omvandlas till plasma.
    2. Kombinera en polarisator och en halvvågsplatta för att justera laserpulsenergin. Figur 1B visar schemat för ultrasnabb laserablation.
  4. Laserfokusjusteringar på provytan
    1. Fokusera laserstrålen på sample med hjälp av en fokuseringslins för att avlägsna materialytan.
    2. Justera laserns fokus på provet manuellt med hjälp av ett translation stage i Z-riktningen genom att observera det ljusa plasmat som produceras och det utstrålande sprickljudet.
      OBS: För att visualisera plasmat som genereras under laserablationsexperimenten finns fotografierna av båda konfigurationerna i figur 2A: (i) laserablation i luft och (ii) laserablation i vätska (LAL).
  5. Olika typer av fokusering
    OBS: Fokuseringsoptik kan bidra till att öka energitätheten hos laserstrålen (plasmabildning) vid provytan, vilket leder till effektivare ablation. Olika typer av fokuseringsoptik kan användas, såsom plano-konvexa linser, axicon31, cylindriska linser, etc.
    1. Använd fokuseringsoptik för att fokusera laserstrålen på provet, beroende på de specifika kraven, som att uppnå olika ablationsdjup, vilket möjliggör bättre kontroll över syntesen av NP/NS. Figur 2B visar de tre fokuseringsförhållandena som används i LAL.
      OBS: Att justera laserfokus på sample vid laserablation kräver vissa försiktighetsåtgärder för att säkerställa säkerhet och noggrannhet.
    2. Kontrollera och underhåll utrustningen som används för att manipulera laserfokuset för att säkerställa att det fungerar korrekt.
    3. Justera laserfokus säkert och exakt för att minimera risken för personskador eller skador på utrustningen.
      OBS: Valet av linsernas brännvidd beror på materialet som används för laserablation, typen av laser (pulslängd, strålstorlek) och även önskad punktstorlek vid provytan.
  6. Skanningsområde för provet
    1. Placera exemplet på de XY-faser som är anslutna till en ESP-rörelsestyrenhet. Provet rör sig vinkelrätt mot laserutbredningsriktningen.
      OBS: ESP-rörelsekontrollen används för att utföra en rasterskanning av sample i X- och Y-riktningarna för att förhindra enpunktsablation.
    2. Justera skanningshastigheten (vanligtvis 0,1 mm/s för ett bättre utbyte av metall-NPs) och laserbearbetningsområdet för att optimera antalet laserpulser som interagerar med sample, eftersom detta påverkar utbytet av NPs.
    3. För att uppnå önskade dimensioner och förhindra enpunktsablation, utför lasermönstring medan du skannar sample under laserablationsprocessen.
      OBS: Figur 3A, B illustrerar fotografiet av fs-laserablationsinställningen genom att koppla in Gauss- respektive Bessel-strålar.
  7. Laserablation i vätska för att syntetisera metall NP/NS
    1. Utför ett laserablationsexperiment efter att ha ställt in alla önskade krav. Följ stegen som nämns i steg 1.1-1.6.
    2. Se till att övervaka lasereffekten och andra inställningar för att säkerställa att de förblir konsekventa under hela experimentet.
    3. Observera målmaterialet kontinuerligt under laserablationsexperimentet för att säkerställa att laserstrålen förblir fokuserad på det önskade området.
      OBS: Figur 3A,B visar fs-laserablationsexperimentuppställningarna för att syntetisera NP:erna med hjälp av en Gaussisk stråle respektive en axikonstråle. En plano-konvex lins användes för att fokusera ingångspulserna. Bildandet av NP framgår av de bilder som tagits vid olika tidpunkter i experimentet. Lösningens färg indikerar bildandet av NP, och en färgförändring i lösningen indikerar ett ökande utbyte av NP (avbildas i figur 4). Laserskyddsglasögon måste bäras när du arbetar i laserlabbet, med endast godkända laserskyddsglasögon för rätt våglängd. Varje avvikelsereflektion av den högeffektiva laserstrålen in i ögat är extremt farlig, vilket resulterar i oåterkalleliga skador. Laserstrålen ska hållas riktad bort från alla människor i laserlabbet. De optiska elementen i installationen stördes inte på det optiska bordet. Provet och stegen bör övervakas medan experimenten utförs.

2. Förvaring av kolloidala NP/NS

  1. Förvara de syntetiserade NP:erna i rena glasflaskor och förvara NS:erna i lufttäta behållare. Placera båda i en exsickator.
    OBS: Figur 5 visar kolloidala NP i olika färger syntetiserade genom LAL genom att kombinera olika vätskor och mål. Här visar figur 5A,B de typiska fotografierna av olika kolloidala NP, inklusive (i) metall-NP, Ag, Au- och Cu-NP i olika lösningsmedel, såsom DW och NaCl; ii) Nonylfenol av metallegeringar, tennenter av Ag-Au med olika sammansättning, tennenter av Ag-Cu och tennylfenol av Au-Cu. iii) metallhalvledarlegeringar, titan-Au och kisel-Au/Ag NP. Dessa fotografier illustrerar de olika NP som kan syntetiseras med hjälp av kolloidala metoder och visar de unika optiska egenskaperna hos metallhalvledarlegeringar. Att lagra kolloidala NP på rätt sätt är avgörande för att säkerställa deras stabilitet och bibehålla deras egenskaper. Glasflaskor är att föredra framför plast- eller metallbehållare eftersom de inte reagerar med NP. NP/NS bör förvaras i en behållare med tättslutande lock för att minimera exponeringen för luft och förvaras på en mörk plats som skyddar dem från ljus.

3. Karakterisering av laserablerade NP/NS

OBS: Att karakterisera metall-NS/NP är avgörande för att förstå deras egenskaper och säkerställa deras kvalitet, såsom storlek, form, sammansättning, etc.

  1. Absorptionsspektroskopi
    OBS: UV-synlig absorptionsspektroskopi är en väletablerad teknik för att karakterisera metall-NP. Det anses vara snabbt, enkelt och icke-invasivt, vilket gör det till ett värdefullt verktyg för att bestämma olika egenskaper hos NP. Topparnas position är relaterad till olika egenskaper hos NP:erna, såsom deras materialsammansättning, storleksfördelning, form och det omgivande mediet.
    1. Provberedning för absorptionsstudier av UV-synlig strålning
      1. Innan du registrerar spektrumet, se till att NP är jämnt fördelade och suspenderade i lösningen. Fyll en provkyvett med 3 ml NP-suspension och en referenskyvett fylld med baslösningsmedlet (i vilken NP är dispergerade). Se till att kyvetterna är rena och fria från föroreningar.
      2. Samla in absorptionsdata (i spektralområdet från 200-900 nm) med en typisk stegstorlek på 1 nm.
  2. TEM-analys
    OBS: Kolloidal NP-storlek och form undersöktes med ett transmissionselektronmikroskop och analyserades senare med hjälp av programvaran.
    1. Förberedelse av TEM-galler
      1. Använd en mikropipett och fördela försiktigt cirka 2 μl av metallsuspensionen på ett TEM-galler belagt med en tunn kolfilm ovanpå ett tunt koppargaller. Låt lösningsmedlet avdunsta naturligt vid rumstemperatur (RT).
        OBS: För insamling av TEM-bilder användes en accelererande spänning på 200 kV och en elektronkanonström på ~100 μA. Mikrobilderna samlades in vid olika förstoringar på 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 50 nm, 100 nm och 200 nm. TEM-analys användes för att ta reda på storleken och formen på NP.
  3. SEM-analys
    OBS: Ytmorfologin hos de laserablerade NS och deponeringen/sammansättningen av de laserablerade NP på de nakna Si/NS undersöktes med hjälp av FESEM. Ett typiskt fotografi av ett laserablerat metall-/halvledar-/legeringsprov visas i figur 6.
    1. SEM-provberedning: För SEM-karakterisering av NP, deponera en liten droppe av NP:s suspension på en rengjord kiselskiva, som fungerar som provhållare. Torka sedan provet vid RT.
    2. Använd metallNS:erna direkt för FESEM-karakterisering utan ytterligare förberedelser för ytmorfologi.
      OBS: För insamling av FESEM-bilder var elektronens högspänning 3-5 kV och arbetsavståndet var vanligtvis 5-7 mm, vid olika förstoringar på 5 000x, 10 000x, 20 000x, 50 000x och 100 000x.
  4. XRD-analys
    OBS: XRD är en vanlig teknik för att karakterisera kristallstrukturen och kristallkvaliteten hos NP.
    1. Beredning av XRD-prov
      1. Släpp 50–100 μL av NP-suspensionen på ett objektglas. Tillsätt försiktigt dropparna i mitten av ett glas sample droppe för droppe. Tillsätt dropparna långsamt på samma plats för att säkerställa att NP:erna fördelas på glaset för att få XRD-data av god kvalitet.
        OBS: Data samlades in från 3°-90° med en stegstorlek på 0.01° under en varaktighet av ~1 h. Röntgenvåglängden som användes var 1,54 A°, generatorspänningen var 40 kV och rörströmmen var 30 mA.
      2. Torka därefter provet vid RT för att få en homogen, tunn film av NP.
    2. Analys av XRD-data
      1. Analysera XRD-topppositionerna med Joint Committee on Powder Diffraction Standards (JCPDS) Cards. Varje JCPDS-kort innehåller information om ett specifikt materials kristallstruktur, gitterparametrar och XRD-mönster.

4. Tillämpning av de nationella parlamenten och de nationella programföretagen

  1. Raman analys
    1. Samla först in de önskade analytmolekylernas Raman-spektra i pulverform. Analysera insamlade Raman-data för att identifiera de spektrala toppar som motsvarar analytmolekylens vibrationslägen.
  2. Beredning av stamlösning
    1. Bekräfta lösligheten av analytmolekylerna i det valda lösningsmedlet. Bered sedan stamlösningar av analytmolekylerna med noggrant vägda eller uppmätta mängder.
    2. Till exempel, för att bereda en 50 mM stamlösning av metylenblå (MB) molekyl i 5 ml etanol:
      1. Beräkna mängden MB-pulver som behövs med hjälp av formeln: massa = koncentration (i mM) x volym (i L) x molekylvikt (i g/mol). I detta fall är vikt = 50 mM x 0,005 L x 319 g/mol = 0,7995 g eller cirka 800 mg.
      2. Väg upp 800 mg MB-pulver med hjälp av en digital våg. Tillsätt pulvret i en ren glasflaska.
      3. Tillsätt vätska i flaskan och skaka kraftigt för att lösa upp pulvret. Förslut flasklocket ordentligt och blanda lösningen ordentligt.
  3. Insamling av Raman-data
    1. Samla upp stamlösningen Raman-spektra genom att deponera en 10 μL droppe stamlösning på en bit ren kiselskiva. Figur 7A visar fotografiet av en bärbar Raman-spektrometer med en 785 nm laserexcitation.
  4. Beredning av analytmolekyler
    1. Späd stamlösningen med hjälp av en mikropipett till olika koncentrationer genom att tillsätta en lämplig volym lösningsmedel till en serie injektionsflaskor av glas beroende på det aktuella koncentrationsområdet.
    2. Bered serien av utspädningar från en 50 mM stamlösning till en slutlig koncentration med hjälp av formeln C känd x Vkänd = Cokänd x Vokänd.
  5. Förberedelse av SERS-substrat
    1. För att förbereda ett SERS-substrat med NP, deponera en liten droppe NP på en ren kiselyta och låt den torka. Placera sedan en liten droppe av den önskade analytmolekylen på det NP-belagda kiselsubstratet. En schematisk bild av beredningen av SERS-substrat med hjälp av NP, hybrider och metall-NS visas i figur 7B.
  6. Samling av SERS-spektra
    1. Samla in SERS-data med hjälp av en bärbar Raman-spektrometer med en 785 nm laserexcitationskälla. Jämför Raman-topparna för analytmolekylen med spektra med referensstandarder (pulver och stamlösning).
  7. Analys av SERS-data
    1. Bearbeta de erhållna Raman- och SERS-spektra för bakgrundskorrigering, subtraktion av fluorescenssignaler, utjämning av signalen och baslinjekorrigering.
      1. Importera textfilen till ORIGIN-programvaran och följ sedan stegen: analys > topp och baslinje > toppanalysator > öppen dialog > subtrahera baslinjen > nästa > användardefinierad > lägga till baslinjekorrigeringspunkt > klar > slutför.
        OBS: Man kan skriva sitt eget Matlab/Python-program för att uppnå detta.
    2. Analysera de resulterande topparna i termer av deras positioner och intensiteter genom att placera läsarens/annoteringspunkten på toppen (i ORIGIN).
    3. Tilldela topparna till deras motsvarande Raman-vibrationslägestilldelningar baserat på deras spektrala egenskaper genom att samla in bulk-Raman-spektrumet, litteraturöversikten och/eller densitetsfunktionalteorin (DFT) beräkningar.
  8. Beräkning av känslighet
    1. Beräkna skalan för förstärkningsfaktor (EF), definierad som förhållandet mellan Raman-signalintensiteten som erhålls från det aktiva SERS-substratet och den som erhålls från det icke-plasmoniska substratet för ett specifikt Raman-läge för analytmolekylen.
  9. Gräns för detektion
    1. Utför kvantitativ SERS-analys med hjälp av en linjär kalibreringskurva, som representerar förhållandet mellan koncentrationen av målanalyten och dess uppmätta Raman-signalintensitet.
      Detektionsgräns (LOD) = 3 x (standardavvikelse för bakgrundsbruset)/(kalibreringskurvans lutning).
  10. Reproducerbarhet
    OBS: Substrats förmåga att konsekvent producera samma eller liknande SERS-signaler för en given analytmolekyl under samma experimentella betingelser kallas reproducerbarheten av SERS-substratet.
    1. Beräkna den relativa standardavvikelsen (RSD) enligt följande: RSD = (standardavvikelse/medelvärde) x 100 %
      OBS: I allmänhet anses RSD-värden i intervallet 5%-20% vara acceptabla för de flesta SERS-experiment, men lägre RSD-värden är ofta önskvärda för mer kvantitativa och tillförlitliga SERS-mätningar

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Silver NP syntetiserades via ps-laserablation i vätsketeknik. Här användes ett ps-lasersystem med en pulslängd på ~30 ps som arbetar med en repetitionsfrekvens på 10 Hz och med en våglängd på en på 355, 532 eller 1 064 nm. Den ingående pulsenergin justerades till 15 mJ. Laserpulserna fokuserades med hjälp av en plano-konvex lins med en brännvidd på 10 cm. Laserfokus bör vara exakt på materialytan under laserablation eftersom laserenergin är mest koncentrerad vid brännpunkten, där den kan orsaka önskad materialborttagning. Om laserfokus inte är på materialytan fördelas laserenergin över ett större område; Det kanske inte är tillräckligt för materialborttagning eller ytmodifieringar. Det kan slutligen leda till en ofullständig eller inkonsekvent ablation. Provet översattes med 0,1 mm/s längs X- och Y-leden. Ag-målet sänktes ner i 10 ml DI, och vätskehöjden ovanför provet var ~7 mm. I allmänhet bör lösningsmedlets höjd vara tillräcklig för att täcka hela målmaterialet och förhindra att materialet överhettas under laserablation. Dessutom, om vätskehöjden är för hög, kan den absorbera en del av den inmatade laserenergin innan den når målmaterialet, vilket leder till en minskad ablationsmekanism och ett lägre utbyte av NP. Om vätskehöjden är för låg, vid högre ingångslaserenergier, kan det leda till agglomerering av NPs. Dessutom bör det väljas för att ge tillräcklig spridning av det ablerade materialet och förhindra agglomerering av NPs. Målets vikt mäts före och efter ablationsprocessen för att ge en uppfattning om mängden material som har avlägsnats. Här uppskattades den ablerade massan till ~0,37, ~0,38 och ~0,41 mg vid 355, 532 respektive 1 064 nm. Detta är viktigt för att uppskatta utbytet av de önskade kolloidala NP:erna och säkerställa att processen är reproducerbar under samma experimentella förhållanden. Därefter karakteriserades de syntetiserade Ag NP med UV-synlig absorptionsspektroskopi. Denna metod mäter mängden ljus som absorberas av NP vid olika våglängder i de UV-synliga nära infraröda (NIR) regionerna av spektrumet. Absorptionsspektra erhållna från UV-synlig spektroskopi kan användas för att bestämma den lokaliserade ytplasmonresonansen (LSPR) hos NPs. LSPR är en kollektiv svängning av elektroner i NPs, vilket resulterar i en absorptionstopp i det UV-synliga området.

Figur 8A visar absorptionsspektra för Ag kolloidala NP som uppnås genom ps-laserablation av Ag i DW vid olika våglängder (355 nm, 532 nm och 1 064 nm). Spektra avslöjar att ytplasmonresonanstopparna (SPR) för de resulterande NP:erna var belägna vid ~420 nm, ~394 nm och ~403 nm för NP:erna som uppnåddes vid 355 nm, 532 nm respektive 1 064 nm. Absorbansen av NP ökade med minskande laservåglängd. Detta kan tillskrivas de högre nivåerna av självabsorption av laserpulserna vid lägre våglängder. Figur 8B illustrerar de normaliserade absorbansspektra för NP av Ag-Au-legeringar med olika sammansättningar. SPR-topppositionen skiftade från 410 nm till 519 nm, med en ökning av Au-procenten från 0 % till 100 %. Figur 8C visar en korrelation mellan SPR-topppositionen och Au molfraktion i Ag-Au-legerings-NP. Detta förhållande ger ett användbart verktyg för att förutsäga SPR-topppositionen för Ag-Au-legerings-NP med olika sammansättningar, vilket kan hjälpa till med design och syntes av NP med specifika optiska egenskaper. Vidare utfördes TEM-studier för att undersöka storleken och formen på Ag NPs. Figur 9A-C visar TEM-bilderna av Ag NPs i DW vid 355 nm, 532 nm respektive 1 064 nm. Formen på Ag NP var sfärisk och storleksfördelningen av Ag NP i DW visas i figur 9D-F. De genomsnittliga storlekarna på Ag NP var ~12,4 nm ± 0,27 nm, ~23,9 nm ± 1,0 nm respektive ~25 nm ± 0,7 nm vid 355 nm, 532 nm och 1 064 nm. Den genomsnittliga storleken på Ag NP tillverkade med 1 064 nm laserljus var större än de som tillverkades med 355 nm och 532 nm laserpulser. Det har rapporterats att ökningen av NP-storlekar med ökande våglängd förmodligen berodde på samexistensen av LAL och självabsorptionen av laserljus av kolloida metallpartiklar som orsakar laserfragmentering i vätskor (LFL). Vidare registrerades typiska XRD-mönster för Ag NP på glasskivor (figur 10). 2theta-positionerna hänvisar till de vinklar vid vilka ett kristallint material diffrakterar röntgenstrålarna. Vinkeln mäts mellan den infallande röntgenstrålen och detektorn och uttrycks i grader. Toppmaxima är placerade vid 38,4°, 44,6°, 64,7° och 77,7° och motsvarar Bragg-reflektionerna av Ag från planen med millerindex (1 1 1), (2 0 0), (2 2 0), (3 1 1) respektive (2 2 2). De observerade topparna matchas med JCPDS-filnummer Ag: 03-0921 med en ansiktscentrerad kubisk struktur.

Vidare tillhandahålls de typiska FESEM-mikrobilderna av Ag NP-deponerad Si, enkellinjes laserablerad Si, korsmönstrad på Si, och laserablerat järn (Fe) i acetonmorfologier, som visas i figur 11. Beroende på interaktionen mellan laser och material kan morfologin hos substratstrukturerna, såsom LIPSS/Groove/krusningar, etc., bildas. Typiska FESEM-bilder av stjärnformade Au NP deponerade på de nakna Si- och laserablerade korsmönstrade Si-ytorna visas i figur 12. Fördelningen av Au NP på bar Si visas i figur 12A. Figur 12B-D visar fördelningen av Au nanostjärnor på den laserablerade Si-ytan. Figur 12B visar fördelningen på den icke-interagerade ytan, medan figur 12C,D illustrerar FESEM-bilderna av lasermönstrade Si-mikro/nanostrukturer med Au NPs-fördelningen.

Därefter utfördes tillämpningen av de laserablerade NPs/NSs i SERS-studier. Raman- och SERS-substratberedningen (med och utan NP) och insamlingen av motsvarande Raman- och SERS-spektra av MB visas i figur 13. Förstärkningen av Raman-topparna för MB-molekylen observerades tydligt även vid en koncentration av 5 μM, vilket är 20 000 gånger mindre än den koncentration som används för Raman - 100 mM (stamlösning). MB-molekylens Raman-toppar förstärktes i närvaro av NP jämfört med de utan NP. Figur 14A-C illustrerar den erhållna SERS-intensiteten för MB, NB och tiram med hjälp av det lasermönstrade kislet (vid olika pulsnummer genom varierande skanningshastighet och mönster): (i) Si_5L, (ii) Si_5C, (iii) Si_0,5L och (iv) Si_0,5C med Au-nanostjärnor. Raman-förbättringen av de tre molekylerna märks från Si NSs, och även reproducerbarheten verifieras från 15 olika platser från fyra substrat. Histogramdiagrammet i figur 14D med RSD för Si_5L, Si_5C, Si_0,5 och Si_0,5 °C avslöjar att Si NS med stjärnsubstrat visade en bättre SERS-signal över hela området.

Figure 1
Figur 1: Schematisk bild och flödesschema över ultrasnabb laserablation . (A) Typiskt flödesschema för spårdetektion med ultrasnabba laserablerade NP/NS via SERS. (B) Schematisk bild av ultrasnabb laserablation i vätska. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: Fotografier av olika laserablationsexperiment. (A) Fotografier av (a) LAL av Au i luft och (b) LAL av Ag-mål i en guldsaltlösning (HAuCl4) (ljuspunkt som visas är plasma). (B) Fotografier av laserablation under olika fokuseringsförhållanden med en (a) plano-konvex lins, (b) axikonlins och (c) cylindrisk lins. Här finns det vanligtvis en vätskehöjd på 7 mm för 10 ml lösning vid 500 μJ för den planokonvexa linsen, 3 mm höjd för 5 ml lösning för Besselstrålen och 10 mm höjd för 10 ml för den cylindriska linsen. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 3
Figur 3: Fotografier av fs laserablation. (A) Fotografi av (a) fs-laserablationsinställningen och den resulterande (b) metall-NP (under laserablation) och (c) metall-NS (efter laserablation) med hjälp av den plano-konvexa linsen. (B) Fotografi av (a) fs laserablation med hjälp av axicon-linsen och (b) inzoomad bild av fotografiet. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Fotografier av fs laserablation i vätska vid olika tidpunkter med hjälp av den plano-konvexa linsen . (A) 1 min, (B) 5 min, (C) 20 min. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 5
Figur 5: Fotografier av laserablerade kolloidala NP. (A) Au NP vid olika energier (μJ): (a) 200, (b) 300, (c) 400 och (d) 500 med fs laserablation i DW. (B) (a) Ag NPs, (b) Au NPs och (c) Cu NPs av fs LAL i DW. (C) Aggregerade Au NP (fs laserablation i DW) i olika koncentrationer av NaCl (mM): (a) 1, (b) 10, (c) 50, (d) 100, (e) 500 mM och (f) 1 M32. (D) (a) Pure Ag, (b) Ag 50 Au50, och (c) ren Au genom ps laserablation i NaCl. e) Legeringsprovrör: a) ren Ag, b) Ag 70 Au 30, c) Ag 50 Au 50, d) Ag 30 Au 70, och e) ren Au genom ps-laserablation i kolloidal NP i destillerat vatten. f) Legeringsprovisoler: a) Ag 60 Au 40, b) Ag 50 Au50, c) Ag 40 Au 60, d) Ag30 Au 70, och (e) Ag20Au80 genom fs laserablation i aceton. g) NP av metallegeringar: a) Cu_Au, b) Ag_Au och c) Ag_Cu. H) NP av halvledarlegeringar av metall: a) Au_TiO 2, b) Ag-SiO 2 och c) Au_SiO 2 NP Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 6
Figur 6: Fotografi av fs laserablerade NPs. (A) Ag, (B) Au, (C) Cu, (D) Si, och (E-H) Ag-Au legering NPs med olika förhållanden av Ag och Au. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 7
Figur 7: Förberedelse av SERS-substrat . (A) Fotografi av den bärbara Raman-spektrometern. (B) Schematisk bild av beredningen av SERS-substratet med användning av (1) kolloidala metall-NPs, (2) styva metall-NS och (3) hybridsubstrat (NSs+NPs). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 8
Figur 8: Absorptionsspektra. (A) Absorptionsspektra för ps laserablerade Ag NP i DW med användning av olika laservåglängder. (B) Normaliserade UV-synliga absorptionsspektra för ps-laser (1064 nm)-ablerade Au-Ag NPs: (i) ren Ag, (ii) Ag 70 Au 30, (iii) Ag 50 Au50, (iv) Ag30 Au 70 och (v)ren Au. (C) Förskjutning av SPR-toppläget med ökande Au-procent i Ag-Au-legerings-NPs. Panelerna B och C har återgivits med tillstånd från Byram et al33. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 9
Figur 9: Tvärgående elektromagnetiska slutkundsbilder och deras respektive storlekshistogram av Ag NP tillverkade i DW med hjälp av 30 ps laserpulser. (A,D) 355 nm, (B,E) 532 nm och (C,F) 1,064 nm. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 10
Figur 10: XRD-mönster för ps (1 064 nm) laserablerade Ag NP i DW. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 11
Figur 11: FESEM-bilder . (A) Ag-Au-legering NP deponerade Si. (B) Enlinjeablation av Si. (C) Korsmönstrad ablation på Si. (D) Fe NS i aceton med hjälp av fs laserablation. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 12
Figur 12: FESEM-bilder. (A) Au nanostjärnor på den nakna Si. (B-D) Au NP dekorerade på olika områden av laserablerad Si: (B) område av obearbetat Si med återdeponerade Si NPs, (C) inom kanalen skriven med hjälp av laserpulser, och (D) vid kanten av kanalen med spikar. Denna figur har återgetts med tillstånd från Moram et al.34. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 13
Figur 13: Raman- och SERS-spektra av MB-molekylen. Schematisk bild av Raman- och SERS-spektrasamling med beredning och de typiska erhållna Raman- (MB: 100 mM, röd färg) och SERS-spektra (5 μM, gröna färger) av MB-molekylen Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 14
Figur 14: SERS-spektra. (A) MB: 1,6 ppb, (B) Anm.: 1.8 ppb, och (C) tiram: 0,1 ppm med stjärnformade Au NP på linjär och korsmönstrad Si med användning av fs-laserablation i luften vid olika skanningshastigheter - 5 mm/s och 0,5 mm/s: i) vanligt Si, ii) Si_5 mm/s -Linjär, iii) Si_5 mm/s-korsad, iv) Si_0,5 mm/s-linjär och v) Si_0,5 mm/s-korsad. MB-, NB- och tirammolekylstrukturer visas också som en infälld del av figurerna. (D) Histogram för framträdande toppintensitetsvariation från 15 slumpmässiga platser från alla fyra Si-substrat med Au-nanostjärnor. Denna figur har återgetts med tillstånd från Moram et al.34. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Vid ultraljudsrengöring nedsänks materialet som ska rengöras i en vätska och högfrekventa ljudvågor appliceras på vätskan med hjälp av en ultraljudsrengörare. Ljudvågorna orsakar bildning och implosion av små bubblor i vätskan, vilket genererar intensiv lokal energi och tryck som lossar och tar bort smuts och andra föroreningar från materialets yta. Vid laserablation användes en Brewster-polarisator och en kombination av halvvågsplattor för att ställa in laserenergin; Polarisatorn placeras vanligtvis före halvvågsplattan. Polarisatorn, som är monterad på ett roterande fäste, tillåter endast ljusvågor med en specifik polarisering att passera medan de reflekterar ljusvågor med en vinkelrät polarisering. Ljuset som passerar genom polarisatorn kommer sedan in i halvvågsplattan, som roterar polarisationen av det överförda ljuset med 90°. När provet ablerades i luften bildades endast NS. Men när provet var ordentligt fastsatt på botten av en ren glasbägare, fylld med den avsedda vätskevolymen och ablerad i vätska, bildades både NP och NS. Den del av provet som ablerades av lasern innehåller NS, medan det ablerade materialet som dispergeras i den omgivande vätskan består av NPs. LAL är en process där ultrakorta laserpulser riktas mot ett prov nedsänkt i en vätska, vilket orsakar lokal förångning av materialet. Detta resulterar i bildandet av NP och NS i ett enda steg.

LAL har flera fördelar jämfört med andra NP-syntesmetoder. Det är snabbt, effektivt, skalbart och fritt från ytaktiva ämnen. Dessutom kan valet av lösningsmedel, koncentrationen av målmaterialet i lösningsmedlet och närvaron av ytaktiva ämnen eller stabiliseringsmedel också påverka NP-syntesprocessen och bör därför övervägas och kontrolleras noggrant. Bearbetnings- och laserparametrarna (laserfluens, våglängd, pulslängd, repetitionshastighet) kan justeras för att kontrollera storleken, formen, sammansättningen och ytegenskaperna hos de producerade NP:erna. Beroende på materialet beror penetrationsdjupet och materialets ablationströskel på den infallande laservåglängden. Alla parametrar kommer att påverka utbytet av NPs/morfologin av NSs. Denna kontrollnivå gör det möjligt att skräddarsy nanomaterialens egenskaper för att uppfylla de specifika kraven för olika tillämpningar. Färgen på metall NP är en primär och enkel indikation på deras storlek och form, såväl som materialet de är gjorda av3. När ljus interagerar med metall-NP absorberar elektronerna i metallen och återsänder ljuset vid specifika våglängder, vilket leder till den observerade färgen. LAL-tekniken använder bulkmål, som är billigare än salter som används i den våtkemiska tekniken. Dessutom genereras farligt avfall under den kemiska processen. Även om den våtkemiska tekniken har en lägre initial investeringskostnad jämfört med LAL-tekniken, kräver den senare en högre initial investering. Kostnaden för LAL minskar dock gradvis med tiden och blir i slutändan billigare på grund av den lägre kostnaden för reaktanter2. För närvarande har många företag över hela världen lanserat startups med fokus på att kommersialisera produkter som syntetiseras med hjälp av laserteknik. Som exempel kan nämnas IMRA (USA), Particular GmbH (Tyskland) och Zhongke Napu New Materials Co. Ltd. (Kina)35.

På senare tid har många studier genomförts för att uppnå överlägsna SERS-substrat med hjälp av ultrasnabb laserteknik. Yu et al.8 har nyligen rapporterat en hybrid superhydrofob/hydrofil SERS-plattform genom fs laserablation och detekterat R6G med en EF på ~1013. Dipanjan et al. har rapporterat bildandet av stegliknande laserinducerade periodiska ytstrukturer (LIPSS) på Ag-Au-Cu med hjälp av fs Bessel-strålablation och framgångsrikt detekterat två explosiva (tetryl och pentaerytritoltetranitrat) spår (200 nM)31. Verma et al. har använt LAL-tekniken och fabricerade Au-Pd-core@shell NP av LAL, och använt dem i explosiv (PA -10-7 och AN-10-8) spårdetektering36. Verma et al. har återigen använt Au NP deponerade på lasertexturerat Sn och detekterat PA vid en koncentration av 0,37 μM och AN vid 2,93 nM37.

Under SERS-mätningar, när en liten volym NP släpps på ett substrat och lämnas att torka, uppstår en spontan hydrodynamisk process som skapar ett lokalt flödesfält i droppen. Detta flöde bär NP:erna till kanten av droppen, vilket resulterar i ett fenomen som kallas "kaffering"-effekten, där en tät mängd NP:er ackumuleras vid droppens kant, snarare än att vara jämnt fördelade överallt. Även om denna naturliga process kan öka antalet hot spots, kan den också påverka reproducerbarheten av SERS-signalerna8. Depositionen av NP på substratet beror på kontaktvinkeln mellan lösningsmedlet och ytan. Underlagets vätningsbeteende kan ändras genom att justera laserbearbetningsparametrarna i laserablationstekniken. Mangababu et al.24 har visat att kontaktvinkeln för GaAs-laserablation kan variera i olika omgivande vätskor, såsom destillerat vatten, etanol och polyvinylalkohol. Ett annat möjligt sätt att undvika kafferingeffekten är att värma upp substratet till t.ex. 70 °C och sedan droppgjuta analyten så att den torkar mycket snabbt.

EF är en viktig faktor för att karakterisera prestandan hos det aktiva SERS-substratet, och det beror på olika faktorer, såsom substratets morfologi, analytens molekylära geometri, excitationsvåglängd och polarisation av excitationslasern. EF beror också på analytmolekylens orientering i förhållande till det lokala fältet, substratets orientering i förhållande till den infallande laserriktningen och tjockleken på analytskiktet på substratet. EF uppskattas med hjälp av det enkla förhållandet EF = (I SERS x IR)/(C R x C SERS), där I SERS är Raman-signalens intensitet med NP på Si/FP, IR är Raman-intensiteten på Si/FP (utan NP), C SERS är provets koncentration på NP-substrat (låg koncentration), och C R är koncentrationen av provet (0,1 M) som producerar Raman-signalen (IR)30,32,34. En serie standarder med kända koncentrationer av analytmolekylen mäts, och Raman-signalintensiteten för den mest framträdande toppen plottas mot koncentrationen. Lutningen på den resulterande linjen representerar känsligheten för SERS-mätningen, och skärningspunkten representerar bakgrundssignalen. Detektionsgränsen (LOD), som är den minsta koncentrationen av målanalyten som kan detekteras på ett tillförlitligt sätt, uppskattas från den linjära kalibreringskurvan. Från detta kan vi uppskatta känsligheten hos det beredda SERS-substratet. Flera SERS-mätningar utfördes på samma substrat på olika platser och intensitetsvärdena för den mest framträdande toppen noterades. RSD är ett vanligt mått för att karakterisera reproducerbarheten och tillförlitligheten hos SERS-signaler. Det definieras som standardavvikelsekvoten (SD) för en uppsättning mätningar och medelvärdet uttryckt i procent. RSD är ett mått på variabiliteten hos SERS-signalerna och ger information om mätningarnas precision. Ett lågt RSD-värde indikerar hög precision och reproducerbarhet, medan ett högt RSD-värde indikerar låg precision och hög variabilitet30,34.

Att producera stjärnformade NP med LAL är utmanande, men de har visat sig vara överlägsna SERS-substrat på grund av de många heta fläckar som uppstår från de starka elektromagnetiska fälten vid de skarpa kanterna/spetsarna19. De flesta studier har rapporterat olikformad metall NP-deposition på vanligt Si/glas38,39. Här har vi visat ytterligare förbättring av känsligheten hos metall-NP genom att använda lasertexturerad Si istället för en vanlig Si-yta. Hybrid-SERS-substraten, bestående av laserablerade Si NS och kemiskt syntetiserade Au-nanostjärnor, uppvisade ~21 gånger förstärkningen av SERS-signalen jämfört med vanlig Si. Även med våra lasersyntetiserade metall-NP:er kan bättre SERS-prestanda uppnås genom att deponera dem på lasertexturerat material. Tidigare har vi visat att laserablerade Ag NP i kombination med laserablerade Ag NS för detektion av 2,4-dinitrotoluen gav en ökningsordning i EF40. Här syftade vi till att visa att laserablerade NS kan användas som en plattform för NP av alla storlekar/former för att uppnå bättre känslighet och reproducerbarhet. Vi är övertygade om att det finns ett enormt utrymme för ultrasnabba laserablerade NP och NS i SERS-baserade avkänningsapplikationer 2,38,39,41,42,43.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Vi tackar University of Hyderabad för stöd genom Institute of Eminence (IoE) projektet UOH/IOE/RC1/RC1-2016. IoE-bidraget erhölls enligt meddelande F11/9/2019-U3(A) från MHRD, Indien. DRDO, Indien är erkänt för finansieringsstöd genom ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Vi tackar School of Physics, UoH, för FESEM-karakteriseringen och XRD-anläggningarna. Vi vill rikta ett stort tack till Prof SVS Nageswara Rao och hans grupp för deras värdefulla samarbete, bidrag och stöd. Vi vill uttrycka vår uppskattning till tidigare och nuvarande laboratoriemedlemmar Dr. P Gopala Krishna, Dr. Hamad Syed, Dr. Chandu Byram, Mr. Sampath Kumar, Ms. Ch Bindu Madhuri, Ms. Reshma Beeram, Mr. A Mangababu och Mr. K Ravi Kumar för deras ovärderliga stöd och hjälp under och efter laserablationsexperimenten i labbet. Vi erkänner det framgångsrika samarbetet med Dr. Prabhat Kumar Dwivedi, IIT Kanpur.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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. , 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).

Tags

Ultrasnabb laserablation nanopartiklar nanostrukturer ytförstärkt Raman-spridning avkänningsapplikationer kolloider fasta ämnen avkänning av farliga material analytmolekyler Ag Au Ag-au Si optimering av nanostrukturer optimering av nanopartiklar pulslängder våglängder energier pulsformer skrivgeometrier tillämpningar för fältavkänning
Ultrasnabba laserablaterade nanopartiklar och nanostrukturer för ytförstärkta Raman-spridningsbaserade avkänningsapplikationer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Moram, S. S. B., Rathod, J.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter