Nanopartículas e nanoestruturas ultrarrápidas abladas a laser para aplicações de sensoriamento baseado em espalhamento Raman aprimorado por superfície

A ablação a laser ultrarrápida é um campo em rápida evolução de interações laser-material. Pulsos de laser de alta intensidade com durações de pulso na faixa de femtossegundo (fs) a picossegundo (ps) são usados para gerar ablação precisa do material. Em comparação com os pulsos de laser de nanossegundos (ns), os pulsos de laser ps podem aplacar materiais com maior precisão e exatidão devido à sua menor duração de pulso. Eles podem gerar menos danos colaterais, detritos e contaminação do material ablado, devido a menos efeitos térmicos. No entanto, os lasers ps são tipicamente mais caros do que os lasers ns e precisam de conhecimentos especializados para operação e manutenção. Os pulsos de laser ultrarrápidos permitem um controle preciso sobre a deposição de energia, o que leva a danos térmicos altamente localizados e minimizados ao material circundante. Além disso, a ablação ultrarrápida a laser pode levar à geração de nanomateriais únicos (ou seja, surfactantes/agentes de tampamento não são obrigatórios durante a produção de nanomateriais). Portanto, podemos denominar este método de síntese/fabricação verde ^1,2,3. Os mecanismos da ablação a laser ultrarrápida são intrincados. A técnica envolve diferentes processos físicos, como (a) excitação eletrônica, (b) ionização e (c) geração de plasma denso, que resulta na ejeção de material da superfície⁴. A ablação a laser é um processo simples de etapa única para produzir nanopartículas (NPs) com alto rendimento, distribuição de tamanho estreita e nanoestruturas (NSs). Naser et ^al.5 realizaram uma revisão detalhada dos fatores que influenciam a síntese e produção de PNs através do método de ablação a laser. A revisão abordou vários aspectos, como os parâmetros de um pulso de laser, as condições de focalização e o meio de ablação. A revisão também discutiu seu impacto na produção de uma ampla gama de NPs usando o método de ablação a laser em líquido (LAL). Os nanomateriais ablados-laser são materiais promissores, com aplicações em vários campos como catálise, eletrônica, sensoriamento, biomédica, divisão de água 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

O espalhamento Raman aprimorado por superfície (SERS) é uma poderosa técnica de sensoriamento analítico que aumenta significativamente o sinal Raman de moléculas de sonda/analito adsorvidas em NSs/NPs metálicos. O SERS é baseado na excitação de ressonâncias de plásmons de superfície em NPs/NSs metálicos, o que resulta em um aumento significativo no campo eletromagnético local próximo às nanocaracterísticas metálicas. Este campo melhorado interage com as moléculas adsorvidas na superfície, aumentando significativamente o sinal Raman. Essa técnica tem sido utilizada para detectar vários analitos, incluindo corantes, explosivos, pesticidas, proteínas, DNA e drogas^15,16,17. Nos últimos anos, avanços significativos foram feitos no desenvolvimento de substratos SERS, incluindo o uso de NPs metálicos de diferentes formas 18,19 (nanobastões, nanoestrelas e nanofios), NSs híbridos^20,21 (uma combinação do metal com outros materiais como Si^22,23, GaAs 24, Ti 25, grafeno 26, MOS₂^27, Fe ²⁸, etc.), bem como substratos flexíveis^29,30 (papel, tecido, nanofibra^, etc.). O desenvolvimento dessas novas estratégias nos substratos abriu novas possibilidades para o uso do SERS em diversas aplicações em tempo real.

Este protocolo discute a fabricação de NPs de Ag usando um laser de ps em diferentes comprimentos de onda e NPs de liga de Ag-Au (com diferentes proporções de alvos de Ag e Au) fabricados usando a técnica de ablação a laser em água destilada. Além disso, micro/nanoestruturas de silício são criadas usando um laser fs sobre silício no ar. Esses NPs e NSs são caracterizados usando absorção ultravioleta (UV)-visível, microscopia eletrônica de transmissão (MET), difração de raios X (DRX) e microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo (MEEM). Além disso, a preparação dos substratos SERS e das moléculas do analito são discutidas, seguida da coleta dos espectros Raman e SERS das moléculas do analito. A análise dos dados é realizada para determinar o fator de realce, a sensibilidade e a reprodutibilidade dos NPs/NSs ablados a laser como sensores potenciais. Adicionalmente, estudos típicos de SERS são discutidos, e o desempenho de substratos híbridos em SERS é avaliado. Especificamente, descobriu-se que a sensibilidade SERS das promissoras nanoestrelas de ouro pode ser aumentada aproximadamente 21 vezes usando silício estruturado a laser em vez de superfícies planas (como Si/vidro) como base.