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  • Discusión
  • Divulgaciones
  • Agradecimientos
  • Materiales
  • Referencias
  • Reimpresiones y Permisos

Resumen

La ablación ultrarrápida con láser en líquido es una técnica precisa y versátil para sintetizar nanomateriales (nanopartículas [NPs] y nanoestructuras [NSs]) en ambientes líquidos/aire. Los nanomateriales ablacionados con láser se pueden funcionalizar con moléculas activas de Raman para mejorar la señal Raman de los analitos colocados en o cerca de los NS / NP.

Resumen

La técnica de ablación láser ultrarrápida en líquidos ha evolucionado y madurado en la última década, con varias aplicaciones inminentes en diversos campos, como la detección, la catálisis y la medicina. La característica excepcional de esta técnica es la formación de nanopartículas (coloides) y nanoestructuras (sólidos) en un solo experimento con pulsos láser ultracortos. Hemos estado trabajando en esta técnica durante los últimos años, investigando su potencial utilizando la técnica de dispersión Raman mejorada en superficie (SERS) en aplicaciones de detección de materiales peligrosos. Los sustratos ultrarrápidos ablacionados con láser (sólidos y coloides) podrían detectar varias moléculas de analito en los niveles de trazas/forma de mezcla, incluidos colorantes, explosivos, pesticidas y biomoléculas. A continuación, presentamos algunos de los resultados obtenidos utilizando las metas de Ag, Au, Ag-Au y Si. Hemos optimizado las nanoestructuras (NSs) y nanopartículas (NPs) obtenidas (en líquidos y aire) utilizando diferentes duraciones de pulso, longitudes de onda, energías, formas de pulso y geometrías de escritura. Por lo tanto, se probó la eficiencia de varios NS y NP en la detección de numerosas moléculas de analito utilizando un espectrómetro Raman simple y portátil. Esta metodología, una vez optimizada, allana el camino para las aplicaciones de detección en el campo. Discutimos los protocolos en (a) la síntesis de las NPs/NSs a través de la ablación láser, (b) la caracterización de las NPs/NSs, y (c) su utilización en los estudios de detección basados en SERS.

Introducción

La ablación láser ultrarrápida es un campo en rápida evolución de las interacciones láser-material. Se utilizan pulsos láser de alta intensidad con duraciones de pulso en el rango de femtosegundos (fs) a picosegundos (ps) para generar una ablación precisa del material. En comparación con los pulsos láser de nanosegundos (ns), los pulsos láser ps pueden ablacionar materiales con mayor precisión y exactitud debido a su menor duración de pulso. Pueden generar menos daños colaterales, escombros y contaminación del material ablacionado debido a menos efectos térmicos. Sin embargo, los láseres ps suelen ser más caros que los láseres ns y necesitan conocimientos especializados para su funcionamiento y mantenimiento. Los pulsos láser ultrarrápidos permiten un control preciso sobre la deposición de energía, lo que conduce a un daño térmico altamente localizado y minimizado en el material circundante. Además, la ablación láser ultrarrápida puede conducir a la generación de nanomateriales únicos (es decir, los tensioactivos/agentes de recubrimiento no son obligatorios durante la producción de nanomateriales). Por lo tanto, podemos denominar a esto un método de síntesis/fabricación verde 1,2,3. Los mecanismos de la ablación láser ultrarrápida son intrincados. La técnica involucra diferentes procesos físicos, tales como (a) excitación electrónica, (b) ionización y (c) la generación de un plasma denso, que resulta en la eyección de material de la superficie4. La ablación con láser es un proceso simple de un solo paso para producir nanopartículas (NP) con alto rendimiento, distribución de tamaño estrecho y nanoestructuras (NS). Naser et al.5 realizaron una revisión detallada de los factores que influyen en la síntesis y producción de NPs a través del método de ablación láser. La revisión abarcó varios aspectos, como los parámetros de un pulso láser, las condiciones de enfoque y el medio de ablación. La revisión también discutió su impacto en la producción de una amplia gama de NP utilizando el método de ablación con láser en líquido (LAL). Los nanomateriales ablacionados con láser son materiales prometedores, con aplicaciones en diversos campos como catálisis, electrónica, detección y aplicaciones biomédicas de división de agua 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

La dispersión Raman mejorada en superficie (SERS) es una poderosa técnica de detección analítica que mejora significativamente la señal Raman de las moléculas de sonda/analito adsorbidas en NS/NP metálicos. SERS se basa en la excitación de las resonancias de plasmones superficiales en NPs/NSs metálicos, lo que resulta en un aumento significativo en el campo electromagnético local cerca de las nano-características metálicas. Este campo mejorado interactúa con las moléculas adsorbidas en la superficie, mejorando significativamente la señal Raman. Esta técnica se ha utilizado para detectar diversos analitos, incluyendo colorantes, explosivos, plaguicidas, proteínas, ADN y drogas15,16,17. En los últimos años, se han logrado avances significativos en el desarrollo de sustratos SERS, incluido el uso de NPsmetálicos de diferentes formas 18,19 (nanovarillas, nanoestrellas y nanohilos), NSs híbridos20,21 (una combinación del metal con otros materiales como Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafeno 26, MOS227, Fe 28, etc.), así como sustratos flexibles29,30 (papel, tela, nanofibra, etc.). El desarrollo de estas nuevas estrategias en los sustratos ha abierto nuevas posibilidades para el uso de SERS en diversas aplicaciones en tiempo real.

Este protocolo analiza la fabricación de NPs de Ag utilizando un láser ps en diferentes longitudes de onda y NPs de aleación de Ag-Au (con diferentes proporciones de objetivos de Ag y Au) fabricados utilizando la técnica de ablación láser en agua destilada. Además, las micro/nanoestructuras de silicio se crean utilizando un láser fs sobre silicio en el aire. Estas NP y NS se caracterizan mediante absorción ultravioleta (UV)-visible, microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (DRX) y microscopía electrónica de barrido por emisión de campo (FESEM). Además, se discute la preparación de sustratos SERS y moléculas de analito, seguido de la recolección de espectros Raman y SERS de las moléculas de analito. El análisis de datos se realiza para determinar el factor de mejora, la sensibilidad y la reproducibilidad de los NP/NS ablacionados con láser como sensores potenciales. Además, se discuten los estudios típicos de SERS y se evalúa el rendimiento de SERS de sustratos híbridos. En concreto, se ha descubierto que la sensibilidad SERS de las prometedoras nanoestrellas de oro puede mejorarse aproximadamente 21 veces utilizando silicio estructurado con láser en lugar de superficies lisas (como Si/vidrio) como base.

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Protocolo

En la Figura 1A se muestra un diagrama de flujo de protocolo típico de la aplicación de NP o NS ablacionadas ultrarrápidas en la detección de trazas de moléculas a través de SERS.

1. Sintetizar NPs/NSs de metal

NOTA: Dependiendo del requisito/aplicación, elija el material objetivo, el líquido circundante y los parámetros de ablación láser.
Aquí:
Materiales de destino: Ag
Líquido circundante: 10 ml de desionizado
Parámetros del láser: 355/532/1064 nm; 30 CV; 10 Hz; 15 mJ
Lente de enfoque: Lente plano-convexa (distancia focal: 10 cm)
Parámetros de la etapa: 0,1 mm/s a lo largo de las direcciones X e Y

  1. Limpieza de la muestra antes de la ablación con láser
    1. Realice una limpieza ultrasónica (40 kHz, 50 W, 30 °C) de la superficie objetivo con acetona durante 15 minutos, lo que elimina diversos materiales orgánicos, incluidos aceites, grasas y ceras.
    2. A continuación, someta la superficie a una limpieza ultrasónica con etanol durante otros 15 minutos para eliminar los contaminantes polares, como sales y azúcares.
    3. Por último, limpie la superficie con agua desionizada (DW) mediante limpieza ultrasónica durante 15 minutos para eliminar cualquier rastro restante de disolventes o contaminantes de la superficie de la muestra.
      NOTA: Estos pasos ayudarán a eliminar cualquier impureza no deseada que pueda estar presente en la superficie, asegurando un análisis preciso.
  2. Medición del peso de la muestra
    1. Mida el peso de la muestra antes de la ablación.
    2. Realice el experimento de ablación láser en la muestra.
    3. Vuelva a medir el peso de la muestra después del experimento de ablación.
    4. Al comparar el peso de la muestra antes y después de la ablación, calcule la cantidad de material que se eliminó durante el experimento. Esta información será útil para analizar las propiedades del material ablacionado, como la concentración y el rendimiento de los productos ablacionados.
  3. Ajuste de los parámetros del láser
    1. Ajuste la potencia del láser de entrada de modo que sea mayor que el umbral de ablación de la muestra. Aquí, se utilizó una potencia de entrada de ~150 mW para la ablación con láser ps del objetivo Ag.
      NOTA: El umbral se refiere a la energía mínima por unidad de área requerida para calentar el material objetivo hasta el punto en que se vaporiza y se convierte en plasma.
    2. Combine un polarizador y una placa de media onda para ajustar la energía del pulso láser. La Figura 1B muestra el esquema de la ablación láser ultrarrápida.
  4. Ajustes de enfoque láser en la superficie de la muestra
    1. Enfoque el rayo láser sobre la muestra utilizando una lente de enfoque para ablacionar la superficie del material.
    2. Ajuste el enfoque del láser en la muestra manualmente utilizando una etapa de traslación en la dirección Z observando el plasma brillante producido y el sonido de crujido que emana.
      NOTA: Para visualizar el plasma generado durante los experimentos de ablación con láser, las fotografías de ambas configuraciones se proporcionan en la Figura 2A: (i) ablación con láser en aire y (ii) ablación con láser en líquido (LAL).
  5. Diferentes tipos de enfoque
    NOTA: La óptica de enfoque puede ayudar a aumentar la densidad de energía del haz láser (formación de plasma) en la superficie de la muestra, lo que conduce a una ablación más eficiente. Se pueden utilizar varios tipos de ópticas de enfoque, como lentes plano-convexas, axicon31, lentes cilíndricas, etc.
    1. Utilice la óptica de enfoque para enfocar el rayo láser en la muestra, dependiendo de los requisitos específicos, como lograr diferentes profundidades de ablación, lo que permite un mejor control sobre la síntesis de NP / NS. La Figura 2B muestra las tres condiciones de enfoque utilizadas en LAL.
      NOTA: Ajustar el enfoque del láser en la muestra en la ablación con láser requiere ciertas precauciones para garantizar la seguridad y la precisión.
    2. Revise y mantenga el equipo utilizado para manipular el enfoque láser para asegurarse de que funciona correctamente.
    3. Ajuste el enfoque del láser de forma segura y precisa para minimizar el riesgo de lesiones o daños al equipo.
      NOTA: La elección de la distancia focal de las lentes depende del material utilizado para la ablación con láser, el tipo de láser (duración del pulso, tamaño del haz) y también el tamaño de punto deseado en la superficie de la muestra.
  6. Área de escaneo de la muestra
    1. Coloque la muestra en las platinas X-Y que están conectadas a un controlador de movimiento ESP. La muestra se mueve perpendicularmente a la dirección de propagación del láser.
      NOTA: El controlador de movimiento ESP se utiliza para realizar un escaneo ráster de la muestra en las direcciones X e Y para evitar la ablación de un solo punto.
    2. Ajuste la velocidad de escaneo (normalmente 0,1 mm/s para un mejor rendimiento de los NP metálicos) y el área de procesamiento láser para optimizar el número de pulsos láser que interactúan con la muestra, ya que esto afecta al rendimiento de los NP.
    3. Para lograr las dimensiones deseadas y evitar la ablación de un solo punto, realice un patrón láser mientras escanea la muestra durante el proceso de ablación con láser.
      NOTA: La Figura 3A, B ilustra la fotografía de configuración de la ablación láser fs mediante el uso de haces gaussianos y Bessel, respectivamente.
  7. Ablación láser en líquido para sintetizar NPs/NSs metálicos
    1. Realice un experimento de ablación con láser después de configurar todos los requisitos deseados. Siga los pasos mencionados en los pasos 1.1-1.6.
    2. Asegúrese de controlar la potencia del láser y otros ajustes para asegurarse de que permanezcan constantes durante todo el experimento.
    3. Observe continuamente el material objetivo durante el experimento de ablación láser para asegurarse de que el rayo láser permanezca enfocado en el área deseada.
      NOTA: La Figura 3A,B muestra las configuraciones experimentales de ablación láser fs para sintetizar las NP utilizando un haz gaussiano y un haz de axicones, respectivamente. Se utilizó una lente plano-convexa para enfocar los pulsos de entrada. La formación de NPs es evidente a partir de las imágenes obtenidas en diferentes momentos del experimento. El color de la solución indica la formación de NPs, y un cambio de color en la solución indica un aumento del rendimiento de las NPs (representado en la Figura 4). Se deben usar gafas de seguridad láser cuando se trabaja en el laboratorio de láser, utilizando solo gafas de seguridad láser aprobadas para la longitud de onda adecuada. Cualquier reflejo disperso del rayo láser de alta potencia en el ojo es extremadamente peligroso y provoca daños irreversibles. El rayo láser debe mantenerse apuntando lejos de todas las personas en el laboratorio de láser. Los elementos ópticos de la configuración no se alteraron en la mesa óptica. La muestra y las etapas deben ser monitoreadas mientras se realizan los experimentos.

2. Almacenamiento de NPs/NSs coloidales

  1. Guarde los NP sintetizados en botellas de vidrio limpias y almacene los NS en recipientes herméticos. Coloque ambos dentro de un desecador.
    NOTA: La Figura 5 muestra NPs coloidales de varios colores sintetizados a través de LAL mediante la combinación de diferentes líquidos y objetivos. Aquí, la Figura 5A, B muestra las fotografías típicas de diferentes NP coloidales, incluidos (i) NP metálicos, Ag, Au y Cu NP en varios solventes, como DW y NaCl; (ii) NP de aleaciones metálicas, NP de Ag-Au con diferentes composiciones, NP de Ag-Cu y NP de Au-Cu; y iii) NP de aleaciones de semiconductores metálicos, de titanio-Au y de silicio-Au/Ag. Estas fotografías ilustran la variedad de NPs que se pueden sintetizar utilizando métodos coloidales y muestran las propiedades ópticas únicas de las NPs de aleación metal-semiconductor. Almacenar adecuadamente las NPs coloidales es crucial para garantizar su estabilidad y mantener sus propiedades. Las botellas de vidrio son preferibles a los recipientes de plástico o metal, ya que no reaccionan con las NP. Las NP/NS deben almacenarse en un recipiente con tapa hermética para minimizar la exposición al aire y mantenerse en un lugar oscuro que las proteja de la luz.

3. Caracterización de NPs/NSs ablacionadas con láser

NOTA: La caracterización de los NS/NP metálicos es vital para comprender sus propiedades y garantizar su calidad, como el tamaño, la forma, la composición, etc.

  1. Espectroscopía de absorción
    NOTA: La espectroscopia de absorción UV-visible es una técnica bien establecida para caracterizar las NP metálicas. Se considera rápido, simple y no invasivo, lo que lo convierte en una herramienta valiosa para determinar diversas propiedades de las NP. La posición de los picos está relacionada con varias propiedades de los NP, como la composición del material, la distribución del tamaño, la forma y el medio circundante.
    1. Preparación de muestras para estudios de absorción UV-visible
      1. Antes de registrar el espectro, asegúrese de que los NP estén distribuidos uniformemente y suspendidos en la solución. Llene una cubeta de muestra con los 3 ml de suspensión de NP y una cubeta de referencia llena con el disolvente base (en la que se dispersan las NP). Asegúrese de que las cubetas estén limpias y libres de contaminantes.
      2. Recopile los datos de absorción (en el rango espectral de 200 a 900 nm) utilizando un tamaño de paso típico de 1 nm.
  2. Análisis TEM
    NOTA: El tamaño y la forma de la NP coloidal se examinaron con un microscopio electrónico de transmisión y luego se analizaron con el software.
    1. Preparación de la rejilla TEM
      1. Con una micropipeta, dispense suavemente aproximadamente 2 μL de la suspensión metálica NP en una rejilla TEM recubierta con una fina película de carbono sobre una fina rejilla de cobre. Deje que el disolvente se evapore naturalmente a temperatura ambiente (RT).
        NOTA: Para la recopilación de imágenes TEM, se utilizó un voltaje de aceleración de 200 kV y una corriente de cañón de electrones de ~100 μA. Las micrografías se recogieron a diferentes aumentos de 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 50 nm, 100 nm y 200 nm. Se utilizó el análisis TEM para determinar el tamaño y la forma de las NP.
  3. Análisis SEM
    NOTA: La morfología de la superficie de los NS ablacionados con láser y la deposición/composición de los NP ablacionados con láser en los Si/NS desnudos se examinaron utilizando FESEM. En la Figura 6 se muestra una fotografía típica de una muestra de NS de metal/semiconductor/aleación ablacionada con láser.
    1. Preparación de la muestra SEM: Para la caracterización SEM de NPs, deposite una pequeña gota de la suspensión de la NP en una oblea de silicio limpia, que sirve como soporte de la muestra. A continuación, seque la muestra a temperatura ambiente.
    2. Utilice los NS metálicos directamente para la caracterización FESEM sin necesidad de preparar más la morfología de la superficie.
      NOTA: Para la recolección de imágenes FESEM, el alto voltaje de electrones fue de 3-5 kV y la distancia de trabajo fue típicamente de 5-7 mm, a diferentes aumentos de 5.000x, 10.000x, 20.000x, 50.000x y 100.000x.
  4. Análisis XRD
    NOTA: La DRX es una técnica comúnmente utilizada para caracterizar la estructura cristalina y la calidad cristalina de las NP.
    1. Preparación de la muestra XRD
      1. Coloque 50-100 μL de la suspensión NP en un portaobjetos de vidrio. Agregue con cuidado las gotas al centro de una muestra de vidrio gota a gota. Agregue las gotas lentamente en el mismo lugar para asegurarse de que los NP se distribuyan en el vidrio para obtener datos XRD de buena calidad.
        NOTA: Los datos se recogieron entre 3° y 90° con un tamaño de paso de 0,01° durante una duración de ~1 h. La longitud de onda de rayos X utilizada fue de 1,54 A°, el voltaje del generador fue de 40 kV y la corriente del tubo fue de 30 mA.
      2. Posteriormente, seque la muestra en RT para obtener una película homogénea y delgada de NPs.
    2. Análisis de datos XRD
      1. Analice las posiciones máximas de XRD con las tarjetas del Comité Conjunto de Estándares de Difracción de Polvo (JCPDS). Cada tarjeta JCPDS contiene información sobre la estructura cristalina de un material específico, los parámetros de red y el patrón XRD.

4. Aplicación de los NP/NS

  1. Análisis Raman
    1. Inicialmente, recoja los espectros Raman de las moléculas de analito deseadas en forma de polvo. Analice los datos Raman recopilados para identificar los picos espectrales correspondientes a los modos vibratorios de la molécula de analito.
  2. Preparación de la solución madre
    1. Confirme la solubilidad de las moléculas de analito en el disolvente elegido. A continuación, prepare soluciones madre de las moléculas de analito con cantidades pesadas o medidas con precisión.
    2. Por ejemplo, para preparar una solución madre de 50 mM de la molécula de azul de metileno (MB) en 5 mL de etanol:
      1. Calcule la cantidad de polvo de MB necesaria utilizando la fórmula: masa = concentración (en mM) x volumen (en L) x peso molecular (en g/mol). En este caso, masa = 50 mM x 0,005 L x 319 g/mol = 0,7995 g o aproximadamente 800 mg.
      2. Pesa 800 mg de MB en polvo con una balanza digital. Agrega el polvo a una botella de vidrio limpia.
      3. Agregue solvente a la botella y agite vigorosamente para disolver el polvo. Selle herméticamente la tapa de la botella y mezcle bien la solución.
  3. Recopilación de datos Raman
    1. Recoja los espectros Raman de la solución madre depositando una gota de 10 μL de solución madre en un trozo de oblea de silicio limpia. La Figura 7A muestra la fotografía de un espectrómetro Raman portátil con una excitación láser de 785 nm.
  4. Preparación de moléculas de analito
    1. Con una micropipeta, diluya la solución madre a diferentes concentraciones añadiendo un volumen adecuado de disolvente a una serie de viales de vidrio en función del rango de concentración de interés.
    2. Preparar la serie de diluciones a partir de una solución madre de 50 mM hasta una concentración final utilizando la fórmula C conocida x Vconocida = C desconocida x Vdesconocida.
  5. Preparación del sustrato SERS
    1. Para preparar un sustrato SERS utilizando NPs, deposite una pequeña gota de NPs sobre una superficie limpia de silicona y deje que se seque. A continuación, coloque una pequeña gota de la molécula de analito deseada sobre el sustrato de silicio recubierto de NP. En la Figura 7B se muestra un esquema de la preparación de sustratos SERS utilizando NPs, híbridos y NSs metálicos.
  6. Colección de espectros SERS
    1. Recopile los datos de SERS utilizando un espectrómetro Raman portátil con una fuente de excitación láser de 785 nm. Comparar los picos Raman de la molécula de analito con los espectros con los de los patrones de referencia (polvo y solución madre).
  7. Análisis de datos SERS
    1. Procese los espectros Raman y SERS obtenidos para la corrección de fondo, la sustracción de señales de fluorescencia, el suavizado de la señal y la corrección de la línea de base.
      1. Importe el archivo de texto en el software ORIGIN y, a continuación, siga los pasos: análisis > pico y línea de base > analizador de picos > diálogo abierto > reste la línea base > siguiente > definido por el usuario > agregue el punto de corrección de la línea base > terminado > finalizar.
        NOTA: Uno puede escribir su propio programa Matlab/Python para lograr esto.
    2. Analice los picos resultantes en términos de sus posiciones e intensidades colocando el punto de lectura/anotación en el pico (en ORIGEN).
    3. Asigne los picos a sus correspondientes asignaciones de modo vibracional Raman en función de sus características espectrales mediante la recopilación del espectro Raman a granel, el estudio de la literatura y/o los cálculos de la teoría del funcional de la densidad (DFT).
  8. Cálculo de sensibilidad
    1. Calcule la escala del factor de mejora (FE), definida como la relación entre la intensidad de la señal Raman obtenida del sustrato activo SERS y la obtenida del sustrato no plasmónico para un modo Raman específico de la molécula de analito.
  9. Límite de detección
    1. Realice un análisis cuantitativo de SERS utilizando una curva de calibración lineal, que representa la relación entre la concentración del analito objetivo y la intensidad de la señal Raman medida.
      Límite de detección (LOD) = 3 x (desviación estándar del ruido de fondo)/(pendiente de la curva de calibración).
  10. Reproducibilidad
    NOTA: La capacidad del sustrato para producir consistentemente las mismas o similares señales SERS para una molécula de analito dada en las mismas condiciones experimentales se denomina reproducibilidad del sustrato SERS.
    1. Calcule la desviación estándar relativa (DSR) de la siguiente manera: DSR = (desviación estándar/media) x 100%
      NOTA: En general, los valores de RSD en el rango de 5% a 20% se consideran aceptables para la mayoría de los experimentos de SERS, pero a menudo son deseables valores de RSD más bajos para mediciones de SERS más cuantitativas y confiables

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Resultados

Las NPs de plata se sintetizaron mediante ablación con láser ps en técnica líquida. En este caso, se utilizó un sistema láser ps con una duración de pulso de ~30 ps que funciona a una velocidad de repetición de 10 Hz y con una longitud de onda de 355, 532 o 1.064 nm. La energía del pulso de entrada se ajustó a 15 mJ. Los pulsos láser se enfocaron utilizando una lente plano-convexa con una distancia focal de 10 cm. El enfoque del láser debe estar exactamente en la superficie del material durante la ab...

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Discusión

En la limpieza por ultrasonidos, el material a limpiar se sumerge en un líquido y se aplican ondas sonoras de alta frecuencia al líquido utilizando un limpiador ultrasónico. Las ondas sonoras provocan la formación e implosión de pequeñas burbujas en el líquido, generando una intensa energía y presión local que desalojan y eliminan la suciedad y otros contaminantes de la superficie del material. En la ablación láser, se utilizó un polarizador Brewster y una combinación de placa de media onda para sintonizar l...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Agradecemos a la Universidad de Hyderabad por su apoyo a través del proyecto del Instituto de Eminencia (IoE) UOH/IOE/RC1/RC1-2016. La subvención de IdT obtuvo la notificación F11/9/2019-U3(A) del MHRD, India. DRDO, India es reconocida por su apoyo financiero a través de ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Agradecemos a la Facultad de Física, UoH, por la caracterización de FESEM y las instalaciones de DRX. Nos gustaría extender nuestro más sincero agradecimiento al Prof. SVS Nageswara Rao y a su grupo por su valiosa colaboración, contribuciones y apoyo. Nos gustaría expresar nuestro agradecimiento a los miembros pasados y presentes del laboratorio, el Dr. P Gopala Krishna, el Dr. Hamad Syed, el Dr. Chandu Byram, el Sr. S Sampath Kumar, la Sra. Ch Bindu Madhuri, la Sra. Reshma Beeram, el Sr. A Mangababu y el Sr. K Ravi Kumar por su inestimable apoyo y asistencia durante y después de los experimentos de ablación láser en el laboratorio. Reconocemos la exitosa colaboración del Dr. Prabhat Kumar Dwivedi, IIT Kanpur.

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Materiales

NameCompanyCatalog NumberComments
AlloysLocal goldsmithN/A99% pure
AxiconThorlabsN/A100, IR range, AR coated, AX1210-B
EthanolSupelco, IndiaCAS No. 64-17-5
Femtosecond laserfemtosecond  (fs)  laser amplifier  Libra HE, CoherentN/APulse duraction 50 fs;
wavelenngth 800 nm;
Rep rate 1 KHz;
Pulse Energy: 4 mJ
FESEMCarl ZEISS, Ultra 55N/A
Gatan DM3www.gatan.comGatan Microscopy Suite 3.x
Gold target Sigma-Aldrich, India99% pure
HAuCl4.3H2OSigma-Aldrich, IndiaCAS No. 16961-25-4
High resolution translational stagesNewport SPECTRA PHYSICS GMBIN/AM-443 High-Performance Low-Profile Ball Bearing Linear Stage;
The stage is only 1 inch high, and has 2 inches of travel. 
Micro RamanHoriba LabRAMN/AGrating-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
MirrorsEdmund OpticsN/ASuitable mirrors for specific wavelength of laser
Motion controllerNEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBIN/AESP300 Controller-3 axes control
Originwww.originlab.comOrigin 2018
Picosecond laserEKSPLA 2251N/APulse duraction 30ps;
wavelenngth 1064 nm, 532 nm, 355 nm;
Rep rate 10 Hz;
Pulse Energy: 1.5 to 30 mJ
Planoconvex lensN/Afocal length 10 cm
Raman portablei-Raman plus,  B&W Tek, USAN/A785 nm, ~ 100 µm laser spot  fiber optic probe excitation and collection
Silicon waferMacwin India Ltd.1–10 Ω-cm, p (100)-type
Silver salt (AgNO3)Finar, IndiaCAS No. 7783-90-6 
Silver targetSigma-Aldrich, IndiaCAS NO 7440-22-499% pure
TEMTecnai TEMN/A
TEM gridsSigma-Aldrich, IndiaTEM-CF200CUCopper Grid Carbon Coated  200 mesh
ThiramSigma-Aldrich, IndiaCAS No. 137-26-8
UVJasco V-670N/A
XRDBruker D8 advanceN/A

Referencias

  1. Theerthagiri, J., et al. Fundamentals and comprehensive insights on pulsed laser synthesis of advanced materials for diverse photo-and electrocatalytic applications. Light: Science & Applications. 11 (1), 250(2022).
  2. Byram, C., et al. Review of ultrafast laser ablation for sensing and photonic applications. Journal of Optics. 25, 043001(2023).
  3. Barcikowski, S., et al. Handbook of laser synthesis of colloids. , DuEPublico, Essen. (2016).
  4. Pariz, I., Goel, S., Nguyen, D. T., Buckeridge, J., Zhou, X. A critical review of the developments in molecular dynamics simulations to study femtosecond laser ablation. Materials Today: Proceedings. 64 (3), 1339-1348 (2022).
  5. Naser, H., et al. The role of laser ablation technique parameters in synthesis of nanoparticles from different target types. Journal of Nanoparticle Research. 21, 249(2019).
  6. Zhang, D., Wada, H. Laser ablation in liquids for nanomaterial synthesis and applications. Handbook of Laser Micro-and Nano-Engineering. , Springer. Cham. 1-35 (2020).
  7. Yang, G. W. Laser ablation in liquids: Applications in the synthesis of nanocrystals. Progress in Materials Science. 52 (4), 648-698 (2007).
  8. Yu, J., et al. Extremely sensitive SERS sensors based on a femtosecond laser-fabricated superhydrophobic/-philic microporous platform. ACS Applied Materials & Interfaces. 14 (38), 43877-43885 (2022).
  9. Obilor, A. F., Pacella, M., Wilson, A., Silberschmidt, V. V. Micro-texturing of polymer surfaces using lasers: A review. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 120 (1-2), 103-135 (2022).
  10. Beeram, R., Soma, V. R. Ultra-trace detection of diverse analyte molecules using femtosecond laser structured Ag-Au alloy substrates and SERRS. Optical Materials. 137, 113615(2023).
  11. Yu, Y., Lee, S. J., Theerthagiri, J., Lee, Y., Choi, M. Y. Architecting the AuPt alloys for hydrazine oxidation as an anolyte in fuel cell: Comparative analysis of hydrazine splitting and water splitting for energy-saving H2 generation. Applied Catalysis B: Environmental. 316, 121603(2022).
  12. Yu, Y., et al. Integrated technique of pulsed laser irradiation and sonochemical processes for the production of highly surface-active NiPd spheres. Chemical Engineering Journal. 411, 128486(2021).
  13. Yu, Y., et al. Reconciling of experimental and theoretical insights on the electroactive behavior of C/Ni nanoparticles with AuPt alloys for hydrogen evolution efficiency and non-enzymatic sensor. Chemical Engineering Journal. 435, 134790(2022).
  14. Shreyanka, S. N., Theerthagiri, J., Lee, S. J., Yu, Y., Choi, M. Y. Multiscale design of 3D metal-organic frameworks (M−BTC, M: Cu, Co, Ni) via PLAL enabling bifunctional electrocatalysts for robust overall water splitting. Chemical Engineering Journal. 446, 137045(2022).
  15. Atta, S., Vo-Dinh, T. Ultra-trace SERS detection of cocaine and heroin using bimetallic gold-silver nanostars (BGNS-Ag). Analytica Chimica Acta. 1251, 340956(2023).
  16. Mandal, P., Tewari, B. S. Progress in surface enhanced Raman scattering molecular sensing: A review. Surfaces and Interfaces. 28, 101655(2022).
  17. Anh, N. H., et al. Gold nanoparticle-based optical nanosensors for food and health safety monitoring: recent advances and future perspectives. RSC Advances. 12 (18), 10950-10988 (2022).
  18. Zhao, Z., et al. Core-shell structured gold nanorods on thread-embroidered fabric-based microfluidic device for ex situ detection of glucose and lactate in sweat. Sensors and Actuators B: Chemical. 353, 131154(2022).
  19. Chung, T., Lee, S. -H. Quantitative study of plasmonic gold nanostar geometry toward optimal SERS detection. Plasmonics. 17 (5), 2113-2121 (2022).
  20. Mangababu, A., et al. Gold nanoparticles decorated GaAs periodic surface nanostructures for trace detection of RDX and tetryl. Surfaces and Interfaces. 36, 102563(2023).
  21. Kang, H. -S., et al. High-index facets and multidimensional hotspots in Au-decorated 24-faceted PbS for ultrasensitive and recyclable SERS substrates. Journal of Materials Chemistry C. 10 (3), 958-968 (2022).
  22. Chirumamilla, A., et al. Lithography-free fabrication of scalable 3D nanopillars as ultrasensitive SERS substrates. Applied Materials Today. 31, 101763(2023).
  23. Meyer, S. M., Murphy, C. J. Anisotropic silica coating on gold nanorods boosts their potential as SERS sensors. Nanoscale. 14 (13), 5214-5226 (2022).
  24. Mangababu, A., et al. Multi-functional gallium arsenide nanoparticles and nanostructures fabricated using picosecond laser ablation. Applied Surface Science. 589, 152802(2022).
  25. Krajczewski, J., et al. The battle for the future of SERS - TiN vs Au thin films with the same morphology. Applied Surface Science. 618, 156703(2023).
  26. Naqvi, T. K., et al. Hierarchical laser-patterned silver/graphene oxide hybrid SERS sensor for explosive detection. ACS Omega. 4 (18), 17691-17701 (2019).
  27. Song, X., et al. Vertically aligned Ag-decorated MoS2 nanosheets supported on polyvinyl alcohol flexible substrate enable high-sensitivity and self-cleaning SERS devices. Journal of Environmental Chemical Engineering. 11 (2), 109437(2023).
  28. Byram, C., Moram, S. S. B., Rao, S. V. Femtosecond laser-patterned and Au-coated iron surfaces as SERS platforms for multiple analytes detection. 2019 Workshop on Recent Advances in Photonics (WRAP). IEEE. , 1-3 (2019).
  29. Yao, H., et al. Functional cotton fabric-based TLC-SERS matrix for rapid and sensitive detection of mixed dyes. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. 280, 121464(2022).
  30. Bharati, M. S. S., Soma, V. R. Flexible SERS substrates for hazardous materials detection: recent advances. Opto-Electronic Advances. 4 (11), 210048(2021).
  31. Banerjee, D., Akkanaboina, M., Kanaka, R. K., Soma, V. R. Femtosecond Bessel beam induced ladder-like LIPSS on trimetallic surface for SERS-based sensing of Tetryl and PETN. Applied Surface Science. 616, 156561(2023).
  32. Moram, S. S. B., Byram, C., Shibu, S. N., Chilukamarri, B. M., Soma, V. R. Ag/Au nanoparticle-loaded paper-based versatile surface-enhanced Raman spectroscopy substrates for multiple explosives detection. ACS Omega. 3 (7), 8190-8201 (2018).
  33. Byram, C., Rathod, J., Moram, S. S. B., Mangababu, A., Soma, V. R. Picosecond laser-ablated nanoparticles loaded filter paper for SERS-based trace detection of Thiram, 1, 3, 5-trinitroperhydro-1, 3, 5-triazine (RDX), and Nile blue. Nanomaterials. 12 (13), 2150(2022).
  34. Moram, S. S. B., Byram, C., Soma, V. R. Femtosecond laser patterned silicon embedded with gold nanostars as a hybrid SERS substrate for pesticide detection. RSC Advances. 13 (4), 2620-2630 (2023).
  35. Zhang, D., Li, Z., Sugioka, K. Laser ablation in liquids for nanomaterial synthesis: diversities of targets and liquids. Journal of Physics: Photonics. 3 (4), 042002(2021).
  36. Verma, A. K., Soni, R. K. Laser ablation synthesis of bimetallic gold-palladium core@shell nanoparticles for trace detection of explosives. Optics & Laser Technology. 163, 109429(2023).
  37. Verma, A. K., Soni, R. K. Laser-textured hybrid tin-gold SERS platforms for ultra-trace analyte detection from contaminants. Optical Materials. 139, 113820(2023).
  38. Podagatlapalli, G. K., Hamad, S., Rao, S. V. Trace-level detection of secondary explosives using hybrid silver-gold nanostructures and nanoparticles achieved with femtosecond laser ablation. The Journal of Physical Chemistry. C. 119 (29), 16972-16983 (2015).
  39. Hamad, S., Podagatlapalli, G. K., Mohiddon, M., Soma, V. R. Cost effective nanostructured copper substrates using ultrashort laser pulses for explosives detection using surface enhanced Raman spectroscopy. Applied Physics Letters. 104, 263104(2014).
  40. Chandu, B., Bharati, M., Rao, S. V. Ag nanoparticles coupled with Ag nanostructures as efficient SERS platform for detection of 2, 4-Dinitrotoluene. 2017 IEEE Workshop on Recent Advances in Photonics (WRAP). IEEE. , 1-3 (2017).
  41. Naqvi, T. K., et al. Ultra-sensitive reusable SERS sensor for multiple hazardous materials detection on single platform. Journal of Hazardous Materials. 407, 124353(2021).
  42. Byram, C., Moram, S. S. B., Soma, V. R. SERS based multiple analyte detection from explosive mixtures using picosecond laser fabricated gold nanoparticles and nanostructures. Analyst. 144 (7), 2327-2336 (2019).
  43. Byram, C., Moram, S. S. B., Shaik, A. K., Soma, V. R. Versatile gold based SERS substrates fabricated by ultrafast laser ablation for sensing picric acid and ammonium nitrate. Chemical Physics Letters. 685, 103-107 (2017).

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