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

摘要

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。

摘要

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。

引言

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的影响。激光烧蚀纳米材料是很有前途的材料，在催化、电子、传感、生物医学等各个领域都有应用，水分解应用⁶、⁷、⁸、⁹、¹⁰、11、¹²、^13、14。

表面增强拉曼散射 （SERS） 是一种强大的分析传感技术，可显著增强吸附在金属 NS/NP 上的探针/分析物分子的拉曼信号。 SERS 基于金属 NPs/NS 中表面等离子体共振的激发，这导致金属纳米特征附近的局部电磁场显着增加。这种增强的场与吸附在表面的分子相互作用，显著增强了拉曼信号。该技术已用于检测各种分析物，包括染料、炸药、杀虫剂、蛋白质、DNA 和药物^15,16,17。近年来，SERS衬底的开发取得了重大进展，包括使用不同形状的金属NPs 18,19（纳米棒，纳米星和纳米线），混合NSs^20,21（金属与其他材料的组合，如Si^{22,23，GaAs 24，Ti} 25，石墨烯^26，MOS ₂^{27，Fe 28}等），以及柔性基材^29,30（纸、布、纳米纤维等）。在基板中开发这些新策略为在各种实时应用中使用SERS开辟了新的可能性。

该协议讨论了使用不同波长的ps激光制造Ag NPs和在蒸馏水中使用激光烧蚀技术制造的Ag-Au合金NPs（具有不同比例的Ag和Au靶材）。此外，硅微/纳米结构是使用飞秒激光在空气中的硅上创建的。采用紫外（UV）-可见光吸收、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和场发射扫描电子显微镜（FESEM）对NPs和NSs进行了表征。此外，还讨论了SERS底物和分析物分子的制备，然后收集了分析物分子的拉曼光谱和SERS光谱。进行数据分析以确定激光烧蚀NPs/NS作为电位传感器的增强因子、灵敏度和可重复性。此外，还讨论了典型的SERS研究，并评估了混合基板的SERS性能。具体来说，已经发现，通过使用激光结构的硅而不是普通表面（如硅/玻璃）作为基础，有前途的金纳米星的SERS灵敏度可以提高约21倍。

研究方案

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。
   4. 通过比较烧蚀前后样品的重量，估计实验过程中去除的材料量。这些信息将有助于分析烧蚀材料的特性，例如烧蚀产品的浓度和产量。
3. 调整激光参数
   1. 调整输入激光功率，使其大于样品的烧蚀阈值。在这里，使用~150 mW的输入功率对Ag靶材进行ps激光烧蚀。
      注: 阈值是指将目标材料加热到汽化并转化为等离子体的点所需的每单位面积的最小能量。
   2. 结合偏振片和半波片来调节激光脉冲能量。图 1B 显示了超快激光烧蚀的原理图。
4. 在样品表面进行激光聚焦调整
   1. 使用聚焦透镜将激光束聚焦到样品上，以烧蚀材料表面。
   2. 通过观察产生的明亮等离子体和发出的裂纹声，使用Z方向的平移台手动调整激光在样品上的焦点。
      注:为了可视化激光烧蚀实验期间产生的等离子体， 图2A中提供了两种配置的照片:（i）空气中的激光烧蚀和（ii）液体中的激光烧蚀（LAL）。
5. 不同类型的对焦
   注意:聚焦光学元件有助于提高样品表面激光（等离子体形成）光束的能量密度，从而实现更有效的烧蚀。可以使用各种类型的聚焦光学元件，如平凸透镜、锥透镜³¹、柱面透镜等。
   1. 根据具体要求，使用聚焦光学器件将激光束聚焦到样品上，例如实现不同的烧蚀深度，从而更好地控制NPs/NS的合成。 图2B 显示了LAL中使用的三种聚焦条件。
      注意:在激光烧蚀中将激光焦点调整到样品上需要采取某些预防措施，以确保安全性和准确性。
   2. 检查和维护用于操纵激光聚焦的设备，以确保其正常工作。
   3. 安全准确地调整激光焦距，以最大限度地降低受伤或设备损坏的风险。
      注意:透镜焦距的选择取决于用于激光烧蚀的材料、激光类型（脉冲持续时间、光束大小）以及样品表面所需的光斑尺寸。
6. 样品的扫描区域
   1. 将样品放置在连接到 ESP 运动控制器的 X-Y 载物台上。样品垂直于激光传播方向移动。
      注意: ESP 运动控制器用于在 X 和 Y 方向上对样品进行光栅扫描，以防止单点烧蚀。
   2. 调整扫描速度（通常为 0.1 mm/s，以获得更好的金属 NP 产量）和激光加工区域，以优化与样品相互作用的激光脉冲数量，因为这会影响 NP 的产量。
   3. 为了达到所需的尺寸并防止单点烧蚀，请在激光烧蚀过程中扫描样品时进行激光图案化。
      注: 图3A、B 分别通过啮合高斯光束和贝塞尔光束来示意图飞秒激光烧蚀设置照片。
7. 液体激光烧蚀合成金属NPs/NSs
   1. 在设置所有所需要求后进行激光烧蚀实验。按照步骤 1.1-1.6 中提到的步骤操作。
   2. 确保监控激光功率和其他设置，以确保它们在整个实验过程中保持一致。
   3. 在激光烧蚀实验过程中持续观察目标材料，以确保激光束保持聚焦在所需区域。
      注:图3A，B显示了分别使用高斯光束和锥透镜光束合成NP的fs激光烧蚀实验装置。平凸透镜用于聚焦输入脉冲。NP的形成从实验不同时间获得的照片中可以明显看出。溶液的颜色表明NP的形成，溶液中的颜色变化表明NPs的产量增加（如图4所示）。在激光实验室工作时必须佩戴激光安全护目镜，仅使用经批准的适当波长的激光安全眼镜。高功率激光束对眼睛的任何杂散反射都是极其危险的，会导致不可逆转的损害。激光束应远离激光实验室中的所有人员。设置中的光学元件在光学工作台上没有受到干扰。在进行实验时，应监测样品和阶段。

2. 胶体NPs/NSs的储存

1. 将合成的NP储存在干净的玻璃瓶中，并将NS储存在密闭容器中。将两者放入干燥器中。
   注:图5显示了通过结合不同的液体和靶标通过LAL合成的各种颜色的胶体NP。图5A，B显示了不同胶体NPs的典型照片，包括（i）金属NPs、Ag、Au和Cu NPs在各种溶剂中的含量，如DW和NaCl;（ii）不同成分的金属合金NPs、Ag-Au NPs、Ag-Cu NPs和Au-Cu NPs;及（iii）金属半导体合金NPs、钛-Au及硅-Au/Ag NPs。这些照片说明了使用胶体方法可以合成的各种NPs，并展示了金属半导体合金NPs的独特光学特性。 正确储存胶体NPs对于确保其稳定性和保持其性能至关重要。玻璃瓶比塑料或金属容器更受欢迎，因为它们不会与NP发生反应。 NPs/NS应存放在带有紧密盖子的容器中，以尽量减少暴露在空气中，并保存在黑暗的地方，以保护它们免受光线照射。

3. 激光烧蚀NPs/NSs的表征

注:表征金属 NS/NP 对于了解其特性和确保其质量（如尺寸、形状、成分等）至关重要。

1. 吸收光谱
   注:紫外-可见吸收光谱法是表征金属NP的成熟技术。它被认为是快速、简单和无创的，使其成为确定 NP 各种特性的宝贵工具。峰的位置与NPs的各种性质有关，如其材料组成、粒径分布、形状和周围介质。
   1. 紫外-可见吸收研究的样品制备
      1. 在记录光谱之前，确保NP均匀分布并悬浮在溶液中。用 3 mL NP 悬浮液填充样品比色皿，并用填充基础溶剂（NP 分散在其中）的参比比色皿填充样品比色皿。确保比色皿清洁且无污染物。
      2. 使用1nm的典型步长收集吸收数据（在200-900nm的光谱范围内）。
2. 透射电镜分析
   注:胶体NP的大小和形状通过透射电子显微镜检查，然后使用软件进行分析。
   1. TEM网格准备
      1. 使用微量移液器，轻轻地将大约 2 μL 的金属 NP 悬浮液分配到涂有薄铜网格顶部的薄碳膜的 TEM 网格上。让溶剂在室温（RT）下自然蒸发。
         注:对于TEM图像的收集，使用了200 kV的加速电压和~100 μA的电子枪电流。在2 nm、5 nm、10 nm、20 nm、50 nm、100 nm和200 nm的不同放大倍率下收集显微照片。透射电镜分析用于确定NPs的大小和形状。
3. SEM分析
   注:使用FESEM检查激光烧蚀NS的表面形态和激光烧蚀NP在裸Si / NS上的沉积/组成。激光烧蚀金属/半导体/合金NS样品的典型照片如图 6所示。
   1. SEM样品制备:对于NP的SEM表征，将一小滴NP悬浮液沉积到清洁的硅晶圆上，该硅片用作样品架。然后，在室温下干燥样品。
   2. 直接使用金属NS进行FESEM表征，无需进一步准备表面形貌。
      注:对于FESEM图像的收集，电子高压为3-5 kV，工作距离通常为5-7 mm，放大倍率为5,000倍、10,000倍、20,000倍、50,000倍和100,000倍。
4. XRD分析
   注:XRD是表征NPs晶体结构和晶体质量的常用技术。
   1. XRD样品制备
      1. 将 50-100 μL NP 悬浮液滴入载玻片上。小心地将液滴逐滴添加到玻璃样品的中心。在同一位置缓慢添加液滴，以确保NP分布在玻璃上，以获得高质量的XRD数据。
         注:数据是在 3°-90° 范围内收集的，步长为 0.01°，持续时间为 ~1 小时。使用的X射线波长为1.54 A°，发生器电压为40 kV，管电流为30 mA。
      2. 随后在室温下干燥样品以获得均匀的NPs薄膜。
   2. XRD数据分析
      1. 使用粉末衍射标准联合委员会 （JCPDS） 卡分析 XRD 峰位置。每个 JCPDS 卡都包含有关特定材料的晶体结构、晶格参数和 XRD 图谱的信息。

4. NPs/NSs的应用

1. 拉曼分析
   1. 首先，以粉末形式收集所需分析物分子的拉曼光谱。分析收集的拉曼数据，以确定与分析物分子的振动模式相对应的光谱峰。
2. 储备液制备
   1. 确认分析物分子在所选溶剂中的溶解度。然后，制备具有准确称重或测量量的分析物分子的储备溶液。
   2. 例如，要在 5 mL 乙醇中制备 50 mM 亚甲蓝 （MB） 分子储备溶液:
      1. 使用以下公式计算所需的MB粉末量:质量=浓度（mM）x体积（L）x分子量（g/mol）。在这种情况下，质量 = 50 mM x 0.005 L x 319 g/mol = 0.7995 g 或约 800 mg。
      2. 使用数字天平称出 800 mg MB 粉末。将粉末加入干净的玻璃瓶中。
      3. 向瓶中加入溶剂，剧烈摇晃以溶解粉末。密封瓶盖并充分混合溶液。
3. 拉曼数据采集
   1. 通过将 10 μL 滴储备溶液沉积在一块干净的硅晶片上来收集储备溶液拉曼光谱。 图7A 显示了具有785 nm激光激发的便携式拉曼光谱仪的照片。
4. 分析物分子制备
   1. 使用微量移液器，根据感兴趣的浓度范围，通过向一系列玻璃小瓶中加入适当体积的溶剂，将储备溶液稀释至不同浓度。
   2. 使用公式 C 已知 x V_已知 = C 未知 x V_未知，将 50 mM 储备溶液中的一系列稀释液制备至最终浓度。
5. SERS底物制备
   1. 要使用NP制备SERS衬底，请将一小滴NP沉积在干净的硅表面上并使其干燥。然后，将一小滴所需的分析物分子放在涂有NP的硅衬底上。使用NPs、杂化物和金属NSs制备SERS衬底的示意图如图 7B所示。
6. SERS光谱采集
   1. 使用具有785nm激光激发源的便携式拉曼光谱仪收集SERS数据。将分析物分子的拉曼峰与参比标准品（粉末和储备溶液）的光谱进行比较。
7. SERS数据分析
   1. 处理获得的拉曼光谱和SERS光谱，用于背景校正、荧光信号的减去、信号的平滑和基线校正。
      1. 将文本文件导入ORIGIN软件，然后按照以下步骤进行操作:>分析峰和基线> 峰分析仪>打开的对话>减去基线>接下来>用户定义>添加基线校正点>完成>完成。
         注意:可以编写自己的 Matlab/Python 程序来实现这一点。
   2. 通过将读卡器/注释点放在峰上（在 ORIGIN 中）来分析所得峰的位置和强度。
   3. 通过收集体拉曼光谱、文献调查和/或密度泛函理论 （DFT） 计算，根据峰的光谱特性将峰分配给相应的拉曼振动模式分配。
8. 灵敏度计算
   1. 计算增强因子（EF）标度，定义为从SERS活性底物获得的拉曼信号强度与从非等离子体底物获得的拉曼信号强度之比，用于分析物分子的特定拉曼模式。
9. 检测限
   1. 使用线性校准曲线进行定量SERS分析，该曲线表示目标分析物浓度与其测量的拉曼信号强度之间的关系。
      检测限 （LOD） = 3 x（背景噪声的标准偏差）/（校准曲线的斜率）。
10. 再现性
    注:在相同的实验条件下，底物对给定的分析物分子一致产生相同或相似的SERS信号的能力称为SERS底物的重现性。
    1. 计算相对标准偏差 （RSD） 如下:RSD =（标准偏差/平均值）x 100%
       注:一般来说，对于大多数SERS实验来说，5%-20%范围内的RSD值被认为是可以接受的，但对于更定量和可靠的SERS测量，通常需要较低的RSD值

结果

在液体技术中 通过 ps激光烧蚀合成了银NPs。在这里，使用了脉冲持续时间为 ~30 ps、重复频率为 10 Hz、波长为 355、532 或 1,064 nm 之一的 ps 激光系统。输入脉冲能量调整为15 mJ。使用焦距为 10 cm 的平凸透镜聚焦激光脉冲。在激光烧蚀过程中，激光焦点应精确地位于材料表面，因为激光能量最集中在焦点上，在那里它会导致所需的材料去除。如果激光焦点不在材料表面，则激光能量分布在较大?...

讨论

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...

材料

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