ננו-חלקיקים וננו-מבנים מהירים במיוחד בלייזר עבור יישומי חישה מבוססי פיזור ראמאן משופרים בפני השטח
Summary
אבלציה מהירה במיוחד בלייזר בנוזל היא טכניקה מדויקת ורב-תכליתית לסינתזה של ננו-חומרים (ננו-חלקיקים [NPs] וננו-מבנים [NSs]) בסביבות נוזל/אוויר. ננו-חומרים בלייזר יכולים להיות פונקציונליים עם מולקולות פעילות ראמאן כדי לשפר את אות הרמאן של אנליטים הממוקמים על או ליד NSs/NPs.
Abstract
הטכניקה של אבלציה בלייזר אולטרה-מהירה בנוזלים התפתחה והבשילה בעשור האחרון, עם מספר יישומים צפויים בתחומים שונים כגון חישה, קטליזה ורפואה. התכונה יוצאת הדופן של טכניקה זו היא היווצרות של ננו-חלקיקים (קולואידים) וננו-מבנים (מוצקים) בניסוי יחיד עם פולסי לייזר קצרים במיוחד. אנו עובדים על טכניקה זו בשנים האחרונות, וחוקרים את הפוטנציאל שלה באמצעות טכניקת פיזור ראמאן משופרת פני השטח (SERS) ביישומי חישה של חומרים מסוכנים. מצעי לייזר מהירים במיוחד (מוצקים וקולואידים) יכולים לזהות מספר מולקולות אנליטיות ברמות הקורט/צורת התערובת, כולל צבעים, חומרי נפץ, חומרי הדברה וביומולקולות. כאן, אנו מציגים חלק מהתוצאות שהושגו באמצעות המטרות של Ag, Au, Ag-Au ו- Si. ביצענו אופטימיזציה של ננו-מבנים (NSs) וננו-חלקיקים (NPs) המתקבלים (בנוזלים ובאוויר) באמצעות משכי פולס שונים, אורכי גל, אנרגיות, צורות פולסים וגיאומטריות כתיבה. לפיכך, NSs ו- NPs שונים נבדקו על יעילותם בחישה של מולקולות אנליטיות רבות באמצעות ספקטרומטר ראמאן פשוט ונייד. מתודולוגיה זו, לאחר המיטוב, סוללת את הדרך ליישומי חישה בשטח. אנו דנים בפרוטוקולים ב-(א) סינתזה של NPs/NSs באמצעות אבלציה בלייזר, (ב) אפיון של NPs/NSs, ו-(ג) השימוש בהם במחקרי חישה מבוססי SERS.
Introduction
אבלציה בלייזר אולטרה-מהירה היא תחום מתפתח במהירות של אינטראקציות לייזר-חומר. פולסי לייזר בעוצמה גבוהה עם משכי פולס בטווח הפמטו-שנייה (fs) עד פיקו-שנייה (ps) משמשים ליצירת אבלציה מדויקת של חומר. בהשוואה לפעימות לייזר ננו-שניות (ns), פולסי לייזר PS יכולים לעבד חומרים בדיוק ודיוק גבוהים יותר בשל משך הפולס הקצר שלהם. הם יכולים ליצור פחות נזק אגבי, פסולת וזיהום של החומר ablated עקב פחות השפעות תרמיות. עם זאת, לייזרי ps הם בדרך כלל יקרים יותר מלייזרים ns וזקוקים למומחיות מיוחדת לתפעול ותחזוקה. פעימות הלייזר האולטרה-מהירות מאפשרות שליטה מדויקת על שקיעת האנרגיה, מה שמוביל לנזק תרמי מקומי וממוזער מאוד לחומר שמסביב. בנוסף, אבלציה מהירה במיוחד בלייזר יכולה להוביל ליצירת ננו-חומרים ייחודיים (כלומר, חומרים פעילי שטח / חומרי מכסה אינם חובה במהלך הייצור של ננו-חומרים). לכן, אנו יכולים לקרוא לזה שיטת סינתזה/ייצור ירוקה 1,2,3. המנגנונים של אבלציה לייזר אולטרה מהירה מורכבים. הטכניקה כוללת תהליכים פיזיקליים שונים, כגון (א) עירור אלקטרוני, (ב) יינון, ו-(ג) יצירת פלזמה צפופה, הגורמת לפליטת חומר מפני השטח4. אבלציה בלייזר היא תהליך פשוט בן שלב אחד לייצור ננו-חלקיקים (NPs) בעלי תפוקה גבוהה, פיזור גודל צר וננו-מבנים (NS). נאסר ואחרים ערכו סקירה מפורטת של הגורמים המשפיעים על הסינתזה והייצור של NPs באמצעות שיטת אבלציה בלייזר. הסקירה כיסתה היבטים שונים, כגון פרמטרים של פולס לייזר, תנאי מיקוד ומדיום האבלציה. הסקירה דנה גם בהשפעתם על ייצור מגוון רחב של NPs באמצעות שיטת אבלציה בלייזר בנוזל (LAL). ננו-חומרים בלייזר הם חומרים מבטיחים, עם יישומים בתחומים שונים כגון קטליזה, אלקטרוניקה, חישה ויישומים ביו-רפואיים, פיצול מים 6,7,8,9,10,11,12,13,14.
פיזור ראמאן משופר פני השטח (SERS) היא טכניקת חישה אנליטית רבת עוצמה המשפרת באופן משמעותי את אות הרמאן ממולקולות בדיקה/אנליט הנספגות על NSs/NPs מתכתיים. SERS מבוסס על עירור תהודה פלסמונית פני השטח בNPs / NSs מתכתיים, מה שמביא לעלייה משמעותית בשדה האלקטרומגנטי המקומי ליד תכונות הננו המתכתיות. שדה משופר זה מקיים אינטראקציה עם המולקולות הנספגות על פני השטח, מה שמשפר באופן משמעותי את אות הרמאן. טכניקה זו שימשה לזיהוי אנליטים שונים, כולל צבעים, חומרי נפץ, חומרי הדברה, חלבונים, DNA וסמים15,16,17. בשנים האחרונות חלה התקדמות משמעותית בפיתוח מצעי SERS, כולל שימוש ב-NPs מתכתיים בעלי צורה שונה 18,19 (ננו-מוטות, ננו-כוכבים וננו-חוטים), NSsהיברידיים 20,21 (שילוב של המתכת עם חומרים אחרים כגון Si22,23, GaAs 24, Ti 25, גרפן 26, MOS227, Fe 28וכו’), וכן מצעים גמישים29,30 (נייר, בד, ננופייבר וכו’). פיתוח אסטרטגיות חדשות אלה במצעים פתח אפשרויות חדשות לשימוש ב- SERS ביישומים שונים בזמן אמת.
פרוטוקול זה דן בייצור NPs Ag באמצעות לייזר ps באורכי גל שונים ו- NPs מסגסוגת Ag-Au (עם יחסים שונים של מטרות Ag ו- Au) המיוצרים באמצעות טכניקת אבלציה בלייזר במים מזוקקים. בנוסף, מיקרו/ננו-מבנים מסיליקון נוצרים באמצעות לייזר fs על סיליקון באוויר. NPs ו- NSs אלה מאופיינים בבליעה נראית אולטרה סגולה (UV), מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת (TEM), עקיפה של קרני רנטגן (XRD) ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק פליטת שדה (FESEM). יתר על כן, נדונה הכנת מצעי SERS ומולקולות אנליטיות, ולאחר מכן איסוף ספקטרום ראמאן ו- SERS של מולקולות האנליט. ניתוח הנתונים מבוצע כדי לקבוע את גורם השיפור, הרגישות ויכולת השחזור של NPs/NSs עם ABLATED לייזר כחיישנים פוטנציאליים. בנוסף, נדונים מחקרי SERS טיפוסיים, ומוערכים ביצועי SERS של מצעים היברידיים. באופן ספציפי, נמצא כי ניתן לשפר את רגישות SERS של ננו-כוכבי הזהב המבטיחים בערך פי 21 על ידי שימוש בסיליקון מובנה לייזר במקום משטחים רגילים (כגון Si/glass) כבסיס.
Protocol
Representative Results
Discussion
בניקוי אולטרסוניקציה, החומר שיש לנקות שקוע בנוזל וגלי קול בתדר גבוה מוחלים על הנוזל באמצעות שואב קולי. גלי הקול גורמים להיווצרות וקריסה של בועות זעירות בנוזל, ומייצרים אנרגיה ולחץ מקומיים עזים הפולטים ומסירים לכלוך ומזהמים אחרים מפני השטח של החומר. באבלציה בלייזר, נעשה שימוש בשילוב של מק?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים לאוניברסיטת היידראבאד על התמיכה באמצעות פרויקט המכון למצוינות (IoE) UOH / IOE / RC1 / RC1-2016. מענק ה- IoE קיבל הודעת vide F11/9/2019-U3(A) מה- MHRD, הודו. DRDO, הודו מוכרת במימון תמיכה באמצעות ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. אנו מודים לבית הספר לפיזיקה, UoH, על אפיון FESEM ומתקני XRD. ברצוננו להביע את תודתנו הכנה לפרופ’ SVS Nageswara Rao ולקבוצתו על תרומתם ותמיכתם רבת הערך בשיתוף פעולה. ברצוננו להביע את הערכתנו לחברי המעבדה בעבר ובהווה ד”ר פ גופלה קרישנה, ד”ר חמד סיד, ד”ר צ’נדו בירם, מר ס. סמפת’ קומאר, גב’ צ’ה בינדו מדהורי, גב’ רשמה ביראם, מר א מנגאבו ומר ק’ ראווי קומאר על תמיכתם ועזרתם שלא יסולא בפז במהלך ואחרי ניסויי אבלציה בלייזר במעבדה. אנו מכירים בשיתוף הפעולה המוצלח של ד”ר 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 |
References
- 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).
- Byram, C., et al. Review of ultrafast laser ablation for sensing and photonic applications. Journal of Optics. 25, 043001 (2023).
- Barcikowski, S., et al. . Handbook of laser synthesis of colloids. , (2016).
- 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).
- 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).
- Zhang, D., Wada, H. Laser ablation in liquids for nanomaterial synthesis and applications. Handbook of Laser Micro-and Nano-Engineering. , 1-35 (2020).
- Yang, G. W. Laser ablation in liquids: Applications in the synthesis of nanocrystals. Progress in Materials Science. 52 (4), 648-698 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Mandal, P., Tewari, B. S. Progress in surface enhanced Raman scattering molecular sensing: A review. Surfaces and Interfaces. 28, 101655 (2022).
- 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).
- 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).
- Chung, T., Lee, S. -. H. Quantitative study of plasmonic gold nanostar geometry toward optimal SERS detection. Plasmonics. 17 (5), 2113-2121 (2022).
- Mangababu, A., et al. Gold nanoparticles decorated GaAs periodic surface nanostructures for trace detection of RDX and tetryl. Surfaces and Interfaces. 36, 102563 (2023).
- 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).
- Chirumamilla, A., et al. Lithography-free fabrication of scalable 3D nanopillars as ultrasensitive SERS substrates. Applied Materials Today. 31, 101763 (2023).
- Meyer, S. M., Murphy, C. J. Anisotropic silica coating on gold nanorods boosts their potential as SERS sensors. Nanoscale. 14 (13), 5214-5226 (2022).
- Mangababu, A., et al. Multi-functional gallium arsenide nanoparticles and nanostructures fabricated using picosecond laser ablation. Applied Surface Science. 589, 152802 (2022).
- 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).
- Naqvi, T. K., et al. Hierarchical laser-patterned silver/graphene oxide hybrid SERS sensor for explosive detection. ACS Omega. 4 (18), 17691-17701 (2019).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bharati, M. S. S., Soma, V. R. Flexible SERS substrates for hazardous materials detection: recent advances. Opto-Electronic Advances. 4 (11), 210048 (2021).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
