表面増強ラマン散乱ベースのセンシングアプリケーションのための超高速レーザーアブレーションナノ粒子およびナノ構造

超高速レーザーアブレーションは、急速に進化しているレーザーと材料の相互作用の分野です。フェムト秒(fs)からピコ秒(ps)の範囲のパルス幅を持つ高強度レーザーパルスを使用して、正確な材料アブレーションを生成します。ナノ秒(ns)レーザーパルスと比較して、psレーザーパルスはパルス幅が短いため、より高い精度と精度で材料を切除できます。熱影響が少ないため、アブレーションされた材料の付随的な損傷、破片、および汚染が少なくなります。しかし、psレーザーは通常、nsレーザーよりも高価であり、操作とメンテナンスには専門的な専門知識が必要です。超短パルスレーザーパルスにより、エネルギー堆積を正確に制御できるため、周囲の材料への熱損傷を高度に局所化し、最小限に抑えることができます。さらに、超高速レーザーアブレーションは、独自のナノ材料の生成につながる可能性があります(つまり、ナノ材料の製造中に界面活性剤/キャッピング剤は必須ではありません)。したがって、これをグリーン合成/製造方法と呼ぶことができます^1,2,3。超高速レーザーアブレーションのメカニズムは複雑です。この技術は、(a)電子励起、(b)イオン化、および(c)高密度プラズマの生成などの異なる物理的プロセスを含み、その結果、表面⁴から材料が放出される。レーザーアブレーションは、高収率、狭い粒度分布、およびナノ構造(NS)を持つナノ粒子(NP)を製造するためのシンプルなシングルステッププロセスです。Naserら5は、レーザーアブレーション法によるNPの合成と産生に影響を与える要因の詳細な^{レビューを実施しました}。レビューでは、レーザーパルスのパラメータ、集光条件、アブレーション媒体など、さまざまな側面が取り上げられました。また、このレビューでは、液体中のレーザーアブレーション(LAL)法を使用した幅広いNPの作製への影響についても説明しました。レーザーアブレーションナノ材料は有望な材料であり、触媒、エレクトロニクス、センシング、生物医学、水分解用途^などのさまざまな分野での用途があります6,7,8,9,10,11,12,13,14。

表面増強ラマン散乱(SERS)は、金属NS/NPに吸着されたプローブ/分析物分子からのラマン信号を大幅に増強する強力な分析センシング技術です。この強化された磁場は、表面に吸着された分子と相互作用し、ラマンシグナルを大幅に増強します。この手法は、色素、爆発物、農薬、タンパク質、DNA、薬物など、さまざまな分析種の検出に使用されています15,16,17。近年、SERS基板の開発は大きく進歩しており、異形金属NP18,19(ナノロッド、ナノスター、ナノワイヤ)、ハイブリッド^NS20,21(金属とSi ^22,23、GaAs 24、Ti 25、グラフェン26、MOS ₂²⁷、Fe ²⁸などの他の材料との組み合わせ)の使用が進んでいますなど)、ならびにフレキシブル基板²⁹、³⁰(紙^、布、ナノファイバーなど)も含まれる。これらの新しい戦略を基板で開発することで、さまざまなリアルタイムアプリケーションでSERSを使用するための新しい可能性が開かれました。

このプロトコルは蒸留水のレーザーの切除の技術を使用して製造される異なった波長およびAg-Auの合金NPsの(AgおよびAuターゲットの異なった比率と)のpsレーザーを使用してAg NPsの製作を論議する。さらに、シリコンマイクロ/ナノ構造は、空気中のシリコン上にfsレーザーを使用して作成されます。これらのNPおよびNSは、紫外(UV)可視吸収、透過型電子顕微鏡(TEM)、X線回折(XRD)、および電界放出型走査電子顕微鏡(FESEM)を使用して特性評価されます。さらに、SERS基質と分析種分子の調製について説明し、続いて分析種分子のラマンスペクトルとSERSスペクトルを収集します。データ解析を行い、レーザーアブレーションしたNP/NSのポテンシャルセンサーとしてのエンハンスメント係数、感度、再現性を決定します。さらに、典型的なSERS研究について議論し、ハイブリッド基板のSERS性能を評価します。具体的には、有望な金ナノスターのSERS感度は、Si/ガラスなどの平坦な表面ではなく、レーザー構造のシリコンをベースにすることで約21倍に向上することがわかってきました。