Nanoparticules et nanostructures ultrarapides ablées par laser pour des applications de détection basées sur la diffusion Raman améliorée en surface

L’ablation laser ultrarapide est un domaine en évolution rapide des interactions laser-matériau. Des impulsions laser de haute intensité avec des durées d’impulsion de l’ordre de la femtoseconde (fs) à la picoseconde (ps) sont utilisées pour générer une ablation précise du matériau. Par rapport aux impulsions laser nanosecondes (ns), les impulsions laser ps peuvent ablater les matériaux avec une précision et une exactitude plus élevées en raison de leur durée d’impulsion plus courte. Ils peuvent générer moins de dommages collatéraux, de débris et de contamination du matériau ablaté en raison de moins d’effets thermiques. Cependant, les lasers ps sont généralement plus chers que les lasers ns et nécessitent une expertise spécialisée pour le fonctionnement et la maintenance. Les impulsions laser ultrarapides permettent un contrôle précis du dépôt d’énergie, ce qui conduit à des dommages thermiques hautement localisés et minimisés au matériau environnant. De plus, l’ablation laser ultrarapide peut conduire à la génération de nanomatériaux uniques (c’est-à-dire que les tensioactifs/agents de capsulage ne sont pas obligatoires lors de la production de nanomatériaux). Par conséquent, nous pouvons appeler cela une méthode de synthèse/fabrication verte ^1,2,3. Les mécanismes de l’ablation laser ultrarapide sont complexes. La technique implique différents processus physiques, tels que (a) l’excitation électronique, (b) l’ionisation et (c) la génération d’un plasma dense, qui entraîne l’éjection de matière de la surface⁴. L’ablation au laser est un processus simple en une seule étape pour produire des nanoparticules (NP) avec un rendement élevé, une distribution granulométrique étroite et des nanostructures (NS). Naser et ^al.5 ont effectué un examen détaillé des facteurs influençant la synthèse et la production de NPs par la méthode d’ablation laser. L’examen a couvert divers aspects, tels que les paramètres d’une impulsion laser, les conditions de mise au point et le milieu d’ablation. L’examen a également discuté de leur impact sur la production d’une large gamme de NP à l’aide de la méthode d’ablation laser dans le liquide (LAL). Les nanomatériaux ablatés par laser sont des matériaux prometteurs, avec des applications dans divers domaines tels que la catalyse, l’électronique, la détection et les applications biomédicales, de séparation de l’eau 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

La diffusion Raman améliorée en surface (SERS) est une puissante technique de détection analytique qui améliore considérablement le signal Raman des molécules de sonde/analyte adsorbées sur les NS/NP métalliques. SERS est basé sur l’excitation des résonances plasmoniques de surface dans les NP/NS métalliques, ce qui entraîne une augmentation significative du champ électromagnétique local à proximité des nano-caractéristiques métalliques. Ce champ amélioré interagit avec les molécules adsorbées à la surface, ce qui améliore considérablement le signal Raman. Cette technique a été utilisée pour détecter divers analytes, y compris les colorants, les explosifs, les pesticides, les protéines, l’ADN et les médicaments^15,16,17. Au cours des dernières années, des progrès significatifs ont été réalisés dans le développement de substrats SERS, y compris l’utilisation de NP métalliques de forme différente 18,19 (nanotiges, nanoétoiles et nanofils), de NS hybrides^20,21 (une combinaison du métal avec d’autres matériaux tels que Si^22,23, GaAs 24, Ti 25, graphène 26, MOS₂^27, Fe ²⁸, etc.), ainsi que des substrats souples^29,30 (papier, tissu, nanofibre^, etc.). Le développement de ces nouvelles stratégies dans les substrats a ouvert de nouvelles possibilités pour l’utilisation du SERS dans diverses applications en temps réel.

Ce protocole traite de la fabrication de NPs Ag à l’aide d’un laser ps à différentes longueurs d’onde et de NPs en alliage Ag-Au (avec différents ratios de cibles Ag et Au) fabriqués à l’aide de la technique d’ablation laser dans de l’eau distillée. De plus, des micro/nanostructures de silicium sont créées à l’aide d’un laser fs sur du silicium dans l’air. Ces NP et NS sont caractérisés à l’aide de l’absorption ultraviolette (UV) et visible, de la microscopie électronique à transmission (MET), de la diffraction des rayons X (DRX) et de la microscopie électronique à balayage par émission de champ (FESEM). De plus, la préparation des substrats SERS et des molécules d’analyte est discutée, suivie de la collecte des spectres Raman et SERS des molécules d’analyte. L’analyse des données est effectuée pour déterminer le facteur d’amélioration, la sensibilité et la reproductibilité des NP/NS ablatés par laser en tant que capteurs potentiels. De plus, des études SERS typiques sont discutées et les performances SERS des substrats hybrides sont évaluées. Plus précisément, il a été constaté que la sensibilité SERS des nanoétoiles d’or prometteuses peut être améliorée d’environ 21 fois en utilisant du silicium structuré au laser au lieu de surfaces lisses (telles que le Si/verre) comme base.