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

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

جسيمات نانوية فائقة السرعة مجازة بالليزر وهياكل نانوية لتطبيقات الاستشعار القائمة على تشتت رامان المحسنة سطحيا

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

الاستئصال بالليزر فائق السرعة في السائل هو تقنية دقيقة ومتعددة الاستخدامات لتوليف المواد النانوية (الجسيمات النانوية [NPs] والهياكل النانوية [NSs]) في البيئات السائلة / الهوائية. يمكن تشغيل المواد النانوية المستأصلة بالليزر باستخدام جزيئات رامان النشطة لتعزيز إشارة رامان للتحليلات الموضوعة على NSs / NPs أو بالقرب منها.

Abstract

تطورت تقنية الاستئصال بالليزر فائق السرعة في السوائل ونضجت على مدار العقد الماضي ، مع العديد من التطبيقات الوشيكة في مختلف المجالات مثل الاستشعار والحفز والطب. الميزة الاستثنائية لهذه التقنية هي تكوين الجسيمات النانوية (الغرويات) والهياكل النانوية (المواد الصلبة) في تجربة واحدة مع نبضات الليزر فائقة القصر. لقد عملنا على هذه التقنية على مدى السنوات القليلة الماضية ، والتحقيق في إمكاناتها باستخدام تقنية تشتت رامان المحسنة سطحيا (SERS) في تطبيقات استشعار المواد الخطرة. يمكن للركائز فائقة السرعة التي يتم استئصالها بالليزر (المواد الصلبة والغرويات) اكتشاف العديد من جزيئات التحليل عند مستويات التتبع / شكل الخليط ، بما في ذلك الأصباغ والمتفجرات والمبيدات الحشرية والجزيئات الحيوية. هنا ، نقدم بعض النتائج التي تحققت باستخدام أهداف Ag و Au و Ag-Au و Si. لقد قمنا بتحسين الهياكل النانوية (NSs) والجسيمات النانوية (NPs) التي تم الحصول عليها (في السوائل والهواء) باستخدام فترات نبضات مختلفة وأطوال موجية وطاقات وأشكال نبضات وهندسة كتابة. وهكذا ، تم اختبار العديد من NSs و NPs لكفاءتها في استشعار العديد من جزيئات التحليل باستخدام مطياف رامان بسيط ومحمول. هذه المنهجية ، بمجرد تحسينها ، تمهد الطريق لتطبيقات الاستشعار الميداني. نناقش البروتوكولات في (أ) توليف NPs / NSs عن طريق الاجتثاث بالليزر ، (ب) توصيف NPs / NSs ، و (ج) استخدامها في دراسات الاستشعار القائمة على SERS.

Introduction

الاستئصال بالليزر فائق السرعة هو مجال سريع التطور من تفاعلات الليزر والمواد. تستخدم نبضات الليزر عالية الكثافة مع فترات النبض في نطاق الفيمتو ثانية (fs) إلى بيكو ثانية (ps) لتوليد استئصال دقيق للمواد. بالمقارنة مع نبضات الليزر النانوية الثانية (ns) ، يمكن لنبضات الليزر ps استئصال المواد بدقة ودقة أعلى نظرا لقصر مدة النبض. يمكن أن تولد أضرارا جانبية أقل ، وحطام ، وتلوث المواد المستأصلة بسبب تأثيرات حرارية أقل. ومع ذلك ، عادة ما تكون ليزر ps أغلى من ليزر ns وتحتاج إلى خبرة متخصصة للتشغيل والصيانة. تتيح نبضات الليزر فائقة السرعة تحكما دقيقا في ترسب الطاقة ، مما يؤدي إلى تلف حراري موضعي للغاية وتقليل الضرر الحراري للمواد المحيطة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤدي الاستئصال بالليزر فائق السرعة إلى توليد مواد نانوية فريدة (أي أن المواد الخافضة للتوتر السطحي / عوامل السد ليست إلزامية أثناء إنتاج المواد النانوية). لذلك ، يمكننا تسمية هذا بطريقة التوليف / التصنيع الخضراء1،2،3. آليات الاجتثاث بالليزر فائق السرعة معقدة. تتضمن التقنية عمليات فيزيائية مختلفة ، مثل (أ) الإثارة الإلكترونية ، (ب) التأين ، و (ج) توليد بلازما كثيفة ، مما يؤدي إلى طرد المواد من السطح4. الاجتثاث بالليزر هو عملية بسيطة من خطوة واحدة لإنتاج الجسيمات النانوية (NPs) ذات الإنتاجية العالية والتوزيع الضيق الحجم والهياكل النانوية (NSs). أجرى ناصر وآخرون مراجعة مفصلة للعوامل التي تؤثر على تخليق وإنتاج NPs من خلال طريقة الاستئصال بالليزر. غطت المراجعة جوانب مختلفة ، مثل معلمات نبضة الليزر ، وظروف التركيز ، ووسط الاستئصال. ناقشت المراجعة أيضا تأثيرها على إنتاج مجموعة واسعة من NPs باستخدام طريقة الاستئصال بالليزر في السائل (LAL). المواد النانوية المستخلصة بالليزر هي مواد واعدة ، مع تطبيقات في مجالات مختلفة مثل الحفز ، والإلكترونيات ، والاستشعار ، والطب الحيوي ، وتطبيقات تقسيم المياه6،7،8،9،10،11،12،13،14.

تشتت رامان المعزز بالسطح (SERS) هو تقنية استشعار تحليلية قوية تعزز بشكل كبير إشارة رامان من جزيئات المسبار / التحليل الممتصة على NSs / NPs المعدنية. يعتمد SERS على إثارة رنين البلازمون السطحي في NPs / NSs المعدنية ، مما يؤدي إلى ارتفاع كبير في المجال الكهرومغناطيسي المحلي بالقرب من ميزات النانو المعدنية. يتفاعل هذا المجال المحسن مع الجزيئات الممتصة على السطح ، مما يعزز بشكل كبير إشارة رامان. تم استخدام هذه التقنية للكشف عن التحليلات المختلفة ، بما في ذلك الأصباغ والمتفجرات والمبيدات الحشرية والبروتينات والحمض النووي والأدوية15،16،17. في السنوات الأخيرة ، تم إحراز تقدم كبير في تطوير ركائز SERS ، بما في ذلك استخدام NPs المعدنية ذات الأشكالالمختلفة 18,19 (القضبان النانوية ، النجوم النانوية ، والأسلاك النانوية) ، NSs الهجينة20,21 (مزيج من المعدن مع مواد أخرى مثل Si 22,23 ، GaAs 24 ، Ti 25 ، الجرافين 26 ، MOS 227 ، Fe 28، إلخ) ، بالإضافة إلى ركائز مرنة 29,30 (ورق ، قماش ، ألياف نانوية ، إلخ). وقد فتح تطوير هذه الاستراتيجيات الجديدة في الركائز إمكانيات جديدة لاستخدام SERS في مختلف التطبيقات في الوقت الحقيقي.

يناقش هذا البروتوكول تصنيع Ag NPs باستخدام ليزر ps بأطوال موجية مختلفة و NPs من سبائك Ag-Au (بنسب مختلفة من أهداف Ag و Au) المصنعة باستخدام تقنية الاجتثاث بالليزر في الماء المقطر. بالإضافة إلى ذلك ، يتم إنشاء هياكل السيليكون الدقيقة / النانوية باستخدام ليزر fs على السيليكون في الهواء. تتميز NPs و NSs باستخدام الامتصاص المرئي للأشعة فوق البنفسجية (UV) ، والمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) ، وحيود الأشعة السينية (XRD) ، والمجهر الإلكتروني الماسح للانبعاث الميداني (FESEM). علاوة على ذلك ، تمت مناقشة تحضير ركائز SERS وجزيئات التحليل ، تليها مجموعة أطياف Raman و SERS للجزيئات المراد تحليلها. يتم إجراء تحليل البيانات لتحديد عامل التعزيز والحساسية وقابلية استنساخ NPs / NSs المستأصل بالليزر كمستشعرات محتملة. بالإضافة إلى ذلك ، تتم مناقشة دراسات SERS النموذجية ، ويتم تقييم أداء SERS للركائز الهجينة. على وجه التحديد ، وجد أن حساسية SERS للنجوم النانوية الذهبية الواعدة يمكن تعزيزها حوالي 21 مرة باستخدام السيليكون الهيكلي بالليزر بدلا من الأسطح العادية (مثل Si / glass) كقاعدة.

Protocol

يظهر مخطط انسيابي بروتوكول نموذجي لتطبيق NPs أو NSs فائقة السرعة في الكشف عن تتبع الجزيئات عبر SERS في الشكل 1A. 1. توليف المعادن NPs / NSs ملاحظة: اعتمادا على المتطلبات / التطبيق ، اختر المادة المستهدفة والسائل المحيط ومعلمات الاجتثاث بالل?…

Representative Results

تم تصنيع NPs الفضية عن طريق الاجتثاث بالليزر ps بتقنية السائل. هنا ، تم استخدام نظام ليزر ps بمدة نبضة ~ 30 ps يعمل بمعدل تكرار 10 هرتز وبطول موجي واحد من 355 أو 532 أو 1,064 نانومتر. تم تعديل طاقة نبضة الإدخال إلى 15 مللي جول. تم تركيز نبضات الليزر باستخدام عدسة مستوية محدبة ذات بعد بؤري يبلغ 10 سم. يجب …

Discussion

في التنظيف بالموجات فوق الصوتية ، يتم غمر المواد المراد تنظيفها في سائل ويتم تطبيق موجات صوتية عالية التردد على السائل باستخدام منظف بالموجات فوق الصوتية. تتسبب الموجات الصوتية في تكوين وانفجار فقاعات صغيرة في السائل ، مما يولد طاقة وضغطا محليا مكثفا يزيح ويزيل الأوساخ والملوثات الأخرى ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

نشكر جامعة حيدر أباد على الدعم من خلال مشروع معهد السماحة (IoE) UOH / IOE / RC1 / RC1-2016. حصلت منحة IoE على إشعار الفيديو F11 / 9 / 2019-U3 (A) من MHRD ، الهند. منظمة تطوير الابحاث الدفاعية، الهند معترف بها لدعم التمويل من خلال ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. نحن نعترف بكلية الفيزياء ، UoH ، لتوصيف FESEM ومرافق XRD. نود أن نعرب عن خالص امتناننا للبروفيسور SVS Nageswara Rao ومجموعته لمساهماتهم ودعمهم التعاوني القيم. نود أن نعرب عن تقديرنا لأعضاء المختبر السابقين والحاليين الدكتور بي جوبالا كريشنا ، والدكتور حمد سيد ، والدكتور شاندو بيرام ، والسيد إس سامباث كومار ، والسيدة تش بيندو مادهوري ، والسيدة ريشما بيرام ، والسيد أ مانجابابو ، والسيد كيه رافي كومار لدعمهم ومساعدتهم التي لا تقدر بثمن أثناء وبعد تجارب الاستئصال بالليزر في المختبر. نحن نقدر التعاون الناجح للدكتور برابهات كومار دويفيدي ، 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

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

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