超快激光烧蚀纳米颗粒和纳米结构在基于表面增强拉曼散射的传感应用中的应用

Summary

液体中的超快激光烧蚀是一种在液体/空气环境中合成纳米材料（纳米颗粒 [NPs] 和纳米结构 [NSs]）的精确且通用的技术。激光烧蚀的纳米材料可以用拉曼活性分子进行功能化，以增强放置在NSs/NPs上或附近的分析物的拉曼信号。

Abstract

液体中的超快激光烧蚀技术在过去十年中不断发展和成熟，即将在传感、催化和医学等各个领域得到应用。该技术的特殊之处在于在超短激光脉冲的单个实验中形成纳米颗粒（胶体）和纳米结构（固体）。在过去的几年里，我们一直在研究这项技术，研究其在危险材料传感应用中使用表面增强拉曼散射（SERS）技术的潜力。超快激光烧蚀底物（固体和胶体）可以检测痕量水平/混合物形式的多种分析物分子，包括染料、炸药、杀虫剂和生物分子。在这里，我们介绍了使用Ag、Au、Ag-Au和Si靶材取得的一些结果。我们使用不同的脉冲持续时间、波长、能量、脉冲形状和书写几何形状优化了获得的纳米结构 （NS） 和纳米颗粒 （NPs）（在液体和空气中）。因此，使用简单、便携的拉曼光谱仪测试了各种 NS 和 NP 在检测多种分析物分子方面的效率。这种方法一旦得到优化，将为现场传感应用铺平道路。我们讨论了 （a） 通过 激光烧蚀合成 NPs/NSs，（b） NPs/NSs 的表征，以及 （c） 它们在基于 SERS 的传感研究中的应用。

Introduction

超快激光烧蚀是一个快速发展的激光-材料相互作用领域。脉冲持续时间在飞秒 （fs） 至皮秒 （ps） 范围内的高强度激光脉冲用于产生精确的材料烧蚀。与纳秒 （ns） 激光脉冲相比，ps 激光脉冲由于脉冲持续时间较短，可以以更高的精度和准确度烧蚀材料。由于较少的热效应，它们可以产生较少的附带损坏、碎屑和烧蚀材料污染。然而，ps激光器通常比ns激光器更昂贵，并且需要专业知识进行操作和维护。超快的激光脉冲能够精确控制能量沉积，从而对周围材料造成高度局部化和最小的热损伤。此外，超快激光烧蚀可以产生独特的纳米材料（即，在纳米材料的生产过程中，表面活性剂/封盖剂不是强制性的）。因此，我们可以将其称为绿色合成/制造方法^1,2,3。超快激光烧蚀的机制错综复杂。该技术涉及不同的物理过程，例如 （a） 电子激发、（b） 电离和 （c） 产生致密等离子体，这导致材料从表面喷射出来⁴.激光烧蚀是一种简单的单步工艺，可生产具有高产量、窄尺寸分布和纳米结构 （NS） 的纳米颗粒 （NP）。Naser等⁵对激光烧蚀法影响NPs合成和生产的因素进行了详细综述。该综述涵盖了多个方面，例如激光脉冲的参数、聚焦条件和烧蚀介质。该综述还讨论了它们对使用液体激光烧蚀（LAL）方法生产各种NP的影....

Protocol

图1A显示了超快烧蚀NPs或NSs在通过SERS对分子进行痕量检测中的应用的典型方案流程图。

1. 金属NPs/NSs的合成

注意： 根据要求/应用，选择目标材料、周围液体和激光烧蚀参数。
这里：
靶材：银
周围液体：10 mL 去离子
激光参数：355/532/1064 nm;30 ps;10赫兹;15毫焦耳
对焦镜头：平凸透镜（焦距：10cm）
载物台参数：沿 X 和 Y 方向 0.1 mm/s

1. 激光烧蚀前的样品清洁
   1. 使用丙酮对目标表面进行超声波清洗（40 kHz，50 W，30°C）15分钟，以去除各种有机材料，包括油，油脂和蜡。
   2. 然后，用乙醇对表面进行超声波清洗15分钟，以去除极性污染物，如盐和糖。
   3. 最后，使用超声波清洗用去离子水 （DW） 清洁表面 15 分钟，以去除样品表面残留的溶剂或污染物痕迹。
      注意：这些步骤将有助于消除表面上可能存在的任何不需要的杂质，确保准确分析。
2. 测量样品的重量
   1. 消融前测量样品的重量。
   2. 对样品进行激光烧蚀实验。
   3. 烧蚀实验后再次测量样品的重量。
   ....

Discussion

在超声波清洗中，将要清洗的材料浸入液体中，并使用超声波清洗机将高频声波施加到液体中。声波导致液体中微小气泡的形成和内爆，产生强烈的局部能量和压力，从而去除材料表面的污垢和其他污染物。在激光烧蚀中，使用布鲁斯特偏振器和半波板组合来调谐激光能量;偏振片通常放置在半波板之前。偏振器安装在旋转支架上，仅允许特定偏振的光波通过，同时反射垂直偏振的光波。然后通过.......

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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