Sıvıda ultra hızlı lazer ablasyonu, sıvı/hava ortamlarında nanomalzemeleri (nanopartiküller [NP’ler] ve nanoyapılar [NS’ler]) sentezlemek için hassas ve çok yönlü bir tekniktir. Lazerle ablasyonlu nanomalzemeler, NS’lerin / NP’lerin üzerine veya yakınına yerleştirilen analitlerin Raman sinyalini arttırmak için Raman aktif moleküllerle işlevselleştirilebilir.
Sıvılarda ultra hızlı lazer ablasyon tekniği, algılama, kataliz ve tıp gibi çeşitli alanlarda yaklaşan birkaç uygulama ile son on yılda gelişti ve olgunlaştı. Bu tekniğin istisnai özelliği, ultra kısa lazer darbeleri ile tek bir deneyde nanopartiküllerin (kolloidler) ve nanoyapıların (katılar) oluşturulmasıdır. Son birkaç yıldır bu teknik üzerinde çalışıyoruz ve tehlikeli madde algılama uygulamalarında yüzeyde geliştirilmiş Raman saçılımı (SERS) tekniğini kullanarak potansiyelini araştırıyoruz. Ultra hızlı lazerle kesilmiş substratlar (katılar ve kolloidler), boyalar, patlayıcılar, böcek ilaçları ve biyomoleküller dahil olmak üzere eser seviyelerde/karışım formunda birkaç analit molekülünü tespit edebilir. Burada, Ag, Au, Ag-Au ve Si hedefleri kullanılarak elde edilen sonuçlardan bazılarını sunuyoruz. Farklı darbe süreleri, dalga boyları, enerjiler, darbe şekilleri ve yazı geometrileri kullanarak elde edilen nanoyapıları (NS’ler) ve nanopartikülleri (NP’ler) (sıvılarda ve havada) optimize ettik. Bu nedenle, çeşitli NS’ler ve NP’ler, basit, taşınabilir bir Raman spektrometresi kullanılarak çok sayıda analit molekülünü algılamadaki verimlilikleri açısından test edildi. Bu metodoloji, bir kez optimize edildiğinde, sahada algılama uygulamalarının önünü açar. (a) NP’lerin/NS’lerin lazer ablasyon yoluyla sentezlenmesi, (b) NP’lerin/NS’lerin karakterizasyonu ve (c) SERS tabanlı algılama çalışmalarında kullanımları ile ilgili protokolleri tartışıyoruz.
Ultra hızlı lazer ablasyonu, lazer-malzeme etkileşimlerinin hızla gelişen bir alanıdır. Hassas malzeme ablasyonu oluşturmak için femtosaniye (fs) ila pikosaniye (ps) aralığında darbe sürelerine sahip yüksek yoğunluklu lazer darbeleri kullanılır. Nanosaniye (ns) lazer darbeleriyle karşılaştırıldığında, ps lazer darbeleri, daha kısa darbe süreleri nedeniyle malzemeleri daha yüksek hassasiyet ve doğrulukla ablate edebilir. Daha az termal etki nedeniyle daha az ikincil hasar, döküntü ve ablasyon malzemesinin kirlenmesine neden olabilirler. Bununla birlikte, ps lazerler tipik olarak ns lazerlerden daha pahalıdır ve işletme ve bakım için özel uzmanlık gerektirir. Ultra hızlı lazer darbeleri, enerji birikimi üzerinde hassas kontrol sağlar, bu da çevredeki malzemede yüksek oranda lokalize ve en aza indirilmiş termal hasara yol açar. Ek olarak, ultra hızlı lazer ablasyonu, benzersiz nanomalzemelerin üretilmesine yol açabilir (yani, nanomalzemelerin üretimi sırasında yüzey aktif maddeler/kapatma maddeleri zorunlu değildir). Bu nedenle, bunu yeşil bir sentez/üretim yöntemiolarak adlandırabiliriz 1,2,3. Ultra hızlı lazer ablasyonunun mekanizmaları karmaşıktır. Teknik, (a) elektronik uyarma, (b) iyonizasyon ve (c) malzemenin yüzeyden püskürtülmesiyle sonuçlanan yoğun bir plazma oluşumu gibi farklı fiziksel süreçleri içerir4. Lazer ablasyon, yüksek verim, dar boyut dağılımı ve nanoyapılara (NS’ler) sahip nanopartiküller (NP’ler) üretmek için basit bir tek adımlı işlemdir. Naser ve ark.5, lazer ablasyon yöntemi ile NP’lerin sentezini ve üretimini etkileyen faktörlerin ayrıntılı bir incelemesini yaptı. İnceleme, bir lazer darbesinin parametreleri, odaklama koşulları ve ablasyon ortamı gibi çeşitli yönleri kapsıyordu. İnceleme ayrıca, sıvı içinde lazer ablasyon (LAL) yöntemini kullanarak çok çeşitli NP’lerin üretilmesi üzerindeki etkilerini de tartıştı. Lazerle ablasyonlu nanomalzemeler, kataliz, elektronik, algılama ve biyomedikal, su ayırma uygulamaları 6,7,8,9,10,11,12,13,14 gibi çeşitli alanlardaki uygulamalarla umut verici malzemelerdir.
Yüzeyde geliştirilmiş Raman saçılımı (SERS), metalik NS’ler/NP’ler üzerine adsorbe edilen prob/analit moleküllerinden gelen Raman sinyalini önemli ölçüde artıran güçlü bir analitik algılama tekniğidir. SERS, metalik NP’lerde/NS’lerde yüzey plazmon rezonanslarının uyarılmasına dayanır, bu da metalik nano özelliklerin yakınındaki yerel elektromanyetik alanda önemli bir artışa neden olur. Bu gelişmiş alan, yüzeyde adsorbe edilen moleküllerle etkileşime girerek Raman sinyalini önemli ölçüde artırır. Bu teknik, boyalar, patlayıcılar, böcek ilaçları, proteinler, DNA ve ilaçlar dahil olmak üzere çeşitli analitleri tespit etmek için kullanılmıştır15,16,17. Son yıllarda, farklı şekilli metalik NP’lerin 18,19 (nanoçubuklar, nanostarlar ve nanoteller), hibrit NS’lerin20,21 (metalin Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafen 26, MOS227, Fe 28 gibi diğer malzemelerle kombinasyonu) kullanımı da dahil olmak üzere SERS substratlarının geliştirilmesinde önemli ilerleme kaydedilmiştir, vb.), ayrıca esnek alt tabakalar29,30 (kağıt, kumaş, nanolif, vb.). Alt tabakalarda bu yeni stratejilerin geliştirilmesi, SERS’nin çeşitli gerçek zamanlı uygulamalarda kullanılması için yeni olanaklar açmıştır.
Bu protokol, farklı dalga boylarında bir ps lazer kullanılarak Ag NP’lerin ve damıtılmış suda lazer ablasyon tekniği kullanılarak üretilen Ag-Au alaşımlı NP’lerin (farklı oranlarda Ag ve Au hedefleri ile) imalatını tartışır. Ek olarak, havadaki silikon üzerinde bir fs lazer kullanılarak silikon mikro/nanoyapılar oluşturulur. Bu NP’ler ve NS’ler, ultraviyole (UV) görünür absorpsiyon, transmisyon elektron mikroskobu (TEM), X-ışını kırınımı (XRD) ve alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FESEM) kullanılarak karakterize edilir. Ayrıca, SERS substratlarının ve analit moleküllerinin hazırlanması tartışılır, ardından analit moleküllerinin Raman ve SERS spektrumlarının toplanması takip edilir. Potansiyel sensörler olarak lazerle kesilmiş NP’lerin/NS’lerin geliştirme faktörünü, hassasiyetini ve tekrarlanabilirliğini belirlemek için veri analizi yapılır. Ek olarak, tipik SERS çalışmaları tartışılmakta ve hibrit substratların SERS performansı değerlendirilmektedir. Spesifik olarak, umut verici altın nanostarların SERS duyarlılığının, baz olarak düz yüzeyler (Si/cam gibi) yerine lazer yapılı silikon kullanılarak yaklaşık 21 kat artırılabileceği bulunmuştur.
Ultrasonication temizliğinde, temizlenecek malzeme bir sıvıya daldırılır ve ultrasonik bir temizleyici kullanılarak sıvıya yüksek frekanslı ses dalgaları uygulanır. Ses dalgaları, sıvıda küçük kabarcıkların oluşmasına ve patlamasına neden olarak, malzemenin yüzeyindeki kiri ve diğer kirleticileri yerinden çıkaran ve uzaklaştıran yoğun yerel enerji ve basınç üretir. Lazer ablasyonunda, lazer enerjisini ayarlamak için bir Brewster polarizörü ve yarım dalga plaka kombinasyonu kullanıld…
The authors have nothing to disclose.
Haydarabad Üniversitesi’ne Eminence Enstitüsü (IoE) projesi UOH / IOE / RC1 / RC1-2016 aracılığıyla destek için teşekkür ederiz. IoE hibesi, MHRD, Hindistan’dan F11/9/2019-U3(A) vide bildirimini aldı. DRDO, Hindistan, ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)] aracılığıyla finansman desteği için kabul edilmektedir. FESEM karakterizasyonu ve XRD tesisleri için Fizik Okulu, UoH’ye teşekkür ederiz. Prof SVS Nageswara Rao ve grubuna değerli işbirlikleri, katkıları ve destekleri için en içten şükranlarımızı sunarız. Geçmiş ve şimdiki laboratuvar üyeleri Dr. P Gopala Krishna, Dr. Hamad Syed, Dr. Chandu Byram, Bay S Sampath Kumar, Bayan Ch Bindu Madhuri, Bayan Reshma Beeram, Bay A Mangababu ve Bay K Ravi Kumar’a laboratuvardaki lazer ablasyon deneyleri sırasında ve sonrasında paha biçilmez destek ve yardımları için minnettarlığımızı ifade etmek isteriz. IIT Kanpur’dan Dr. Prabhat Kumar Dwivedi’nin başarılı işbirliğini kabul ediyoruz.
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 |