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In questo articolo

  • Riepilogo
  • Abstract
  • Introduzione
  • Protocollo
  • Risultati
  • Discussione
  • Divulgazioni
  • Riconoscimenti
  • Materiali
  • Riferimenti
  • Ristampe e Autorizzazioni

Riepilogo

L'ablazione laser ultraveloce in liquido è una tecnica precisa e versatile per la sintesi di nanomateriali (nanoparticelle [NP] e nanostrutture [NS]) in ambienti liquidi/aria. I nanomateriali sottoposti ad ablazione laser possono essere funzionalizzati con molecole Raman-attive per migliorare il segnale Raman degli analiti posizionati sopra o vicino alle NS/NP.

Abstract

La tecnica dell'ablazione laser ultraveloce nei liquidi si è evoluta e maturata nell'ultimo decennio, con diverse applicazioni imminenti in vari campi come il rilevamento, la catalisi e la medicina. La caratteristica eccezionale di questa tecnica è la formazione di nanoparticelle (colloidi) e nanostrutture (solidi) in un unico esperimento con impulsi laser ultracorti. Abbiamo lavorato su questa tecnica negli ultimi anni, studiando il suo potenziale utilizzando la tecnica di diffusione Raman potenziata dalla superficie (SERS) in applicazioni di rilevamento di materiali pericolosi. I substrati ultraveloci sottoposti ad ablazione laser (solidi e colloidi) potrebbero rilevare diverse molecole di analita a livelli di tracce/forma di miscela, tra cui coloranti, esplosivi, pesticidi e biomolecole. Di seguito, presentiamo alcuni dei risultati ottenuti utilizzando gli obiettivi di Ag, Au, Ag-Au e Si. Abbiamo ottimizzato le nanostrutture (NS) e le nanoparticelle (NP) ottenute (nei liquidi e nell'aria) utilizzando diverse durate di impulso, lunghezze d'onda, energie, forme di impulso e geometrie di scrittura. Pertanto, vari NS e NP sono stati testati per la loro efficienza nel rilevare numerose molecole di analita utilizzando un semplice spettrometro Raman portatile. Questa metodologia, una volta ottimizzata, apre la strada alle applicazioni di rilevamento sul campo. Discutiamo i protocolli in (a) sintesi delle NP/NS tramite ablazione laser, (b) caratterizzazione di NP/NS e (c) loro utilizzo negli studi di rilevamento basati su SERS.

Introduzione

L'ablazione laser ultraveloce è un campo in rapida evoluzione delle interazioni laser-materiale. Gli impulsi laser ad alta intensità con durate di impulso nell'intervallo da femtosecondi (fs) a picosecondi (ps) vengono utilizzati per generare un'ablazione precisa del materiale. Rispetto agli impulsi laser a nanosecondi (ns), gli impulsi laser ps possono ablare i materiali con maggiore precisione e accuratezza grazie alla loro minore durata dell'impulso. Possono generare meno danni collaterali, detriti e contaminazione del materiale ablato a causa di minori effetti termici. Tuttavia, i laser ps sono in genere più costosi dei laser ns e richiedono competenze specializzate per il funzionamento e la manutenzione. Gli impulsi laser ultraveloci consentono un controllo preciso della deposizione di energia, che porta a danni termici altamente localizzati e ridotti al minimo al materiale circostante. Inoltre, l'ablazione laser ultraveloce può portare alla generazione di nanomateriali unici (ad esempio, tensioattivi/agenti di copertura non sono obbligatori durante la produzione di nanomateriali). Pertanto, possiamo definirlo un metodo di sintesi/fabbricazione verde 1,2,3. I meccanismi dell'ablazione laser ultraveloce sono intricati. La tecnica coinvolge diversi processi fisici, come (a) l'eccitazione elettronica, (b) la ionizzazione e (c) la generazione di un plasma denso, che si traduce nell'espulsione di materiale dalla superficie4. L'ablazione laser è un semplice processo in un'unica fase per produrre nanoparticelle (NP) ad alta resa, distribuzione dimensionale stretta e nanostrutture (NS). Naser et al.5 hanno condotto una revisione dettagliata dei fattori che influenzano la sintesi e la produzione di NP attraverso il metodo di ablazione laser. La revisione ha riguardato vari aspetti, come i parametri di un impulso laser, le condizioni di messa a fuoco e il mezzo di ablazione. La revisione ha anche discusso il loro impatto sulla produzione di un'ampia gamma di NP utilizzando il metodo di ablazione laser in liquido (LAL). I nanomateriali ad ablazione laser sono materiali promettenti, con applicazioni in vari campi come la catalisi, l'elettronica, il rilevamento e le applicazioni biomediche e di scissione dell'acqua 6,7,8,9,10,11,12,13,14.

Lo scattering Raman potenziato dalla superficie (SERS) è una potente tecnica di rilevamento analitico che migliora significativamente il segnale Raman dalle molecole sonda/analita adsorbite su NS/NP metalliche. SERS si basa sull'eccitazione delle risonanze plasmoniche di superficie in NP/NS metalliche, che si traduce in un aumento significativo del campo elettromagnetico locale vicino alle nano-caratteristiche metalliche. Questo campo potenziato interagisce con le molecole adsorbite sulla superficie, migliorando significativamente il segnale Raman. Questa tecnica è stata utilizzata per rilevare vari analiti, tra cui coloranti, esplosivi, pesticidi, proteine, DNA e farmaci15,16,17. Negli ultimi anni, sono stati compiuti progressi significativi nello sviluppo di substrati SERS, tra cui l'uso di NPmetallici di forma diversa 18,19 (nanorod, nanostar e nanowires), NS ibridi20,21 (una combinazione del metallo con altri materiali come Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafene 26, MOS 227, Fe 28, ecc.), nonché substrati flessibili29,30 (carta, stoffa, nanofibra, ecc.). Lo sviluppo di queste nuove strategie nei substrati ha aperto nuove possibilità per l'utilizzo di SERS in varie applicazioni in tempo reale.

Questo protocollo discute la fabbricazione di NP Ag utilizzando un laser ps a diverse lunghezze d'onda e NP in lega Ag-Au (con diversi rapporti di target Ag e Au) fabbricate utilizzando la tecnica di ablazione laser in acqua distillata. Inoltre, le micro/nanostrutture di silicio vengono create utilizzando un laser fs sul silicio nell'aria. Queste NP e NS sono caratterizzate utilizzando l'assorbimento ultravioletto (UV)-visibile, la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), la diffrazione di raggi X (XRD) e la microscopia elettronica a scansione a emissione di campo (FESEM). Inoltre, viene discussa la preparazione dei substrati SERS e delle molecole di analita, seguita dalla raccolta degli spettri Raman e SERS delle molecole di analita. L'analisi dei dati viene eseguita per determinare il fattore di miglioramento, la sensibilità e la riproducibilità delle NP/NS ad ablazione laser come potenziali sensori. Inoltre, vengono discussi i tipici studi SERS e vengono valutate le prestazioni SERS dei substrati ibridi. In particolare, è stato scoperto che la sensibilità SERS delle promettenti nanostelle d'oro può essere migliorata di circa 21 volte utilizzando silicio strutturato al laser invece di superfici piane (come Si/vetro) come base.

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Protocollo

Nella Figura 1A è mostrato un tipico diagramma di flusso del protocollo dell'applicazione di NP o NS ablate ultraveloci nella rilevazione di tracce di molecole tramite SERS.

1. Sintesi di NP/NS metalliche

NOTA: A seconda del requisito/applicazione, scegliere il materiale target, il liquido circostante e i parametri di ablazione laser.
Qui:
Materiali di destinazione: Ag
Liquido circostante: 10 mL di DI
Parametri laser: 355/532/1064 nm; 30 CV; 10 Hz; 15 mJ
Lente di messa a fuoco: Lente piano-convessa (lunghezza focale: 10 cm)
Parametri dello stadio: 0,1 mm/s lungo le direzioni X e Y

  1. Pulizia del campione prima dell'ablazione laser
    1. Eseguire la pulizia a ultrasuoni (40 kHz, 50 W, 30 °C) della superficie target utilizzando acetone per 15 minuti, che rimuove vari materiali organici, inclusi oli, grassi e cere.
    2. Quindi, sottoporre la superficie a una pulizia ad ultrasuoni con etanolo per altri 15 minuti per rimuovere i contaminanti polari, come sali e zuccheri.
    3. Infine, pulire la superficie con acqua deionizzata (DW) utilizzando la pulizia a ultrasuoni per 15 minuti per rimuovere eventuali tracce residue di solventi o contaminanti dalla superficie del campione.
      NOTA: Questi passaggi aiuteranno a eliminare eventuali impurità indesiderate che potrebbero essere presenti sulla superficie, garantendo un'analisi accurata.
  2. Misurazione del peso del campione
    1. Misurare il peso del campione prima dell'ablazione.
    2. Eseguire l'esperimento di ablazione laser sul campione.
    3. Misurare nuovamente il peso del campione dopo l'esperimento di ablazione.
    4. Confrontando il peso del campione prima e dopo l'ablazione, stimare la quantità di materiale che è stato rimosso durante l'esperimento. Queste informazioni saranno utili per analizzare le proprietà del materiale ablato, come la concentrazione e la resa dei prodotti ablati.
  3. Regolare i parametri del laser
    1. Regolare la potenza del laser in ingresso in modo che sia maggiore della soglia di ablazione del campione. In questo caso, è stata utilizzata una potenza di ingresso di ~150 mW per l'ablazione laser ps del bersaglio Ag.
      NOTA: La soglia si riferisce all'energia minima per unità di superficie necessaria per riscaldare il materiale target fino al punto in cui viene vaporizzato e convertito in plasma.
    2. Combina un polarizzatore e una piastra a semionda per regolare l'energia dell'impulso laser. La Figura 1B mostra lo schema dell'ablazione laser ultraveloce.
  4. Regolazioni della messa a fuoco laser sulla superficie del campione
    1. Focalizzare il raggio laser sul campione utilizzando una lente di messa a fuoco per ablare la superficie del materiale.
    2. Regolare manualmente la messa a fuoco del laser sul campione utilizzando uno stadio di traslazione in direzione Z osservando il plasma luminoso prodotto e il suono di cracking emanato.
      NOTA: Per visualizzare il plasma generato durante gli esperimenti di ablazione laser, le fotografie di entrambe le configurazioni sono fornite nella Figura 2A: (i) ablazione laser in aria e (ii) ablazione laser in liquido (LAL).
  5. Diversi tipi di messa a fuoco
    NOTA: L'ottica di messa a fuoco può aiutare ad aumentare la densità di energia del raggio laser (formazione di plasma) sulla superficie del campione, portando a un'ablazione più efficiente. Possono essere utilizzati vari tipi di ottiche di messa a fuoco, come lenti piano-convesse, axicon31, lenti cilindriche, ecc.
    1. Utilizzare l'ottica di focalizzazione per focalizzare il raggio laser sul campione, a seconda dei requisiti specifici, come il raggiungimento di diverse profondità di ablazione, consentendo un migliore controllo sulla sintesi di NP/NS. La Figura 2B mostra le tre condizioni di messa a fuoco utilizzate in LAL.
      NOTA: La regolazione della messa a fuoco del laser sul campione nell'ablazione laser richiede alcune precauzioni per garantire sicurezza e precisione.
    2. Controllare e mantenere l'attrezzatura utilizzata per manipolare la messa a fuoco laser per assicurarsi che funzioni correttamente.
    3. Regolare la messa a fuoco del laser in modo sicuro e preciso per ridurre al minimo il rischio di lesioni o danni alle apparecchiature.
      NOTA: La scelta della lunghezza focale delle lenti dipende dal materiale utilizzato per l'ablazione laser, dal tipo di laser (durata dell'impulso, dimensione del fascio) e anche dalla dimensione del punto desiderata sulla superficie del campione.
  6. Area di scansione del campione
    1. Posizionare il campione sugli stadi X-Y collegati a un controller di movimento ESP. Il campione si muove perpendicolarmente alla direzione di propagazione del laser.
      NOTA: Il controller di movimento ESP viene utilizzato per eseguire una scansione raster del campione nelle direzioni X e Y per evitare l'ablazione a punto singolo.
    2. Regolare la velocità di scansione (in genere 0,1 mm/s per una migliore resa delle NP metalliche) e l'area di lavorazione laser per ottimizzare il numero di impulsi laser che interagiscono con il campione, poiché ciò influisce sulla resa delle NP.
    3. Per ottenere le dimensioni desiderate e prevenire l'ablazione a punto singolo, eseguire la modellazione laser durante la scansione del campione durante il processo di ablazione laser.
      NOTA: La Figura 3A, B illustra la fotografia della configurazione dell'ablazione laser fs impegnando rispettivamente i fasci gaussiani e di Bessel.
  7. Ablazione laser in liquido per sintetizzare NP/NS metalliche
    1. Condurre un esperimento di ablazione laser dopo aver impostato tutti i requisiti desiderati. Seguire i passaggi indicati nei passaggi 1.1-1.6.
    2. Assicurati di monitorare la potenza del laser e altre impostazioni per assicurarti che rimangano coerenti durante l'esperimento.
    3. Osservare continuamente il materiale target durante l'esperimento di ablazione laser per assicurarsi che il raggio laser rimanga focalizzato sull'area desiderata.
      NOTA: La Figura 3A,B mostra le configurazioni sperimentali di ablazione laser fs per sintetizzare le NP utilizzando rispettivamente un fascio gaussiano e un fascio assicone. Per la messa a fuoco degli impulsi in ingresso è stata utilizzata una lente piano-convessa. La formazione di NP è evidente dalle immagini ottenute in diversi momenti dell'esperimento. Il colore della soluzione indica la formazione di NP e un cambiamento di colore nella soluzione indica una resa crescente delle NP (raffigurato nella Figura 4). Gli occhiali di sicurezza laser devono essere indossati quando si lavora nel laboratorio laser, utilizzando solo occhiali di sicurezza laser approvati per la lunghezza d'onda corretta. Qualsiasi riflesso vagante del raggio laser ad alta potenza nell'occhio è estremamente pericoloso e provoca danni irreversibili. Il raggio laser deve essere tenuto puntato lontano da tutte le persone nel laboratorio laser. Gli elementi ottici nella configurazione non sono stati disturbati sul tavolo ottico. Il campione e le fasi devono essere monitorati durante l'esecuzione degli esperimenti.

2. Conservazione di NP/NS colloidali

  1. Conservare le NP sintetizzate in bottiglie di vetro pulite e conservare le NS in contenitori ermetici. Metti entrambi all'interno di un essiccatore.
    NOTA: La Figura 5 mostra NP colloidali di vari colori sintetizzati attraverso LAL combinando diversi liquidi e bersagli. Qui, la Figura 5A,B mostra le fotografie tipiche di diverse NP colloidali, tra cui (i) NP metalliche, Ag, Au e Cu NP in vari solventi, come DW e NaCl; (ii) NP in leghe metalliche, NP Ag-Au con composizione diversa, NP Ag-Cu e NP Au-Cu; e iii) NP in leghe metallo-semiconduttore, NP in titanio-Au e silicio-Au/Ag. Queste fotografie illustrano la varietà di NP che possono essere sintetizzate utilizzando metodi colloidali e mostrano le proprietà ottiche uniche delle NP in lega metallo-semiconduttore. Conservare correttamente le NP colloidali è fondamentale per garantirne la stabilità e mantenerne le proprietà. Le bottiglie di vetro sono preferite ai contenitori di plastica o metallo in quanto non reagiscono con le NP. Le NP/NS devono essere conservate in un contenitore con un coperchio ermetico per ridurre al minimo l'esposizione all'aria e conservate in un luogo buio che le protegga dalla luce.

3. Caratterizzazione di NP/NS ad ablazione laser

NOTA: La caratterizzazione delle NS/NP metalliche è fondamentale per comprenderne le proprietà e garantirne la qualità, come dimensioni, forma, composizione, ecc.

  1. Spettroscopia di assorbimento
    NOTA: La spettroscopia di assorbimento UV-visibile è una tecnica consolidata per la caratterizzazione delle NP metalliche. È considerato veloce, semplice e non invasivo, il che lo rende uno strumento prezioso per determinare varie proprietà delle NP. La posizione dei picchi è correlata a varie proprietà delle NP, come la composizione del materiale, la distribuzione dimensionale, la forma e il mezzo circostante.
    1. Preparazione del campione per studi di assorbimento UV-visibile
      1. Prima di registrare lo spettro, assicurarsi che le NP siano distribuite uniformemente e sospese nella soluzione. Riempire una cuvetta campione con i 3 mL di sospensione NP e una cuvetta di riferimento riempita con il solvente di base (in cui sono dispersi gli NP). Assicurarsi che le cuvette siano pulite e prive di contaminanti.
      2. Raccogliere i dati di assorbimento (nell'intervallo spettrale da 200-900 nm) utilizzando una dimensione tipica del passo di 1 nm.
  2. Analisi TEM
    NOTA: Le dimensioni e la forma delle NP colloidali sono state esaminate da un microscopio elettronico a trasmissione e successivamente analizzate utilizzando il software.
    1. Preparazione della griglia TEM
      1. Utilizzando una micropipetta, erogare delicatamente circa 2 μL della sospensione NP metallica su una griglia TEM rivestita con un sottile film di carbonio sopra una sottile griglia di rame. Lasciare evaporare naturalmente il solvente a temperatura ambiente (RT).
        NOTA: Per la raccolta delle immagini TEM, sono stati utilizzati una tensione di accelerazione di 200 kV e una corrente di pistola elettronica di ~100 μA. Le micrografie sono state raccolte a diversi ingrandimenti di 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 50 nm, 100 nm e 200 nm. L'analisi TEM è stata utilizzata per scoprire le dimensioni e la forma delle NP.
  3. Analisi SEM
    NOTA: La morfologia superficiale delle NS ablate con laser e la deposizione/composizione delle NP ablate con laser sui Si/NS nudi sono state esaminate utilizzando FESEM. Nella Figura 6 è mostrata una tipica fotografia di un campione di NS di metallo/semiconduttore/lega sottoposto ad ablazione laser.
    1. Preparazione del campione SEM: Per la caratterizzazione SEM delle NP, depositare una piccola gocciolina della sospensione della NP su un wafer di silicio pulito, che funge da supporto del campione. Quindi, asciugare il campione a RT.
    2. Utilizzare direttamente le NS metalliche per la caratterizzazione FESEM senza ulteriori preparazioni per la morfologia superficiale.
      NOTA: Per la raccolta di immagini FESEM, l'alta tensione dell'elettrone era di 3-5 kV e la distanza di lavoro era tipicamente di 5-7 mm, a diversi ingrandimenti di 5.000x, 10.000x, 20.000x, 50.000x e 100.000x.
  4. Analisi XRD
    NOTA: XRD è una tecnica comunemente usata per caratterizzare la struttura cristallina e la qualità cristallina delle NP.
    1. Preparazione del campione XRD
      1. Far cadere 50-100 μL della sospensione NP su un vetrino. Aggiungere con cura le gocce al centro di un campione di vetro goccia a goccia. Aggiungere lentamente le gocce nello stesso punto per assicurarsi che le NP siano distribuite sul vetro per ottenere dati XRD di buona qualità.
        NOTA: I dati sono stati raccolti da 3°-90° con una dimensione del passo di 0,01° per una durata di ~1 h. La lunghezza d'onda dei raggi X utilizzata era di 1,54 A°, la tensione del generatore era di 40 kV e la corrente del tubo era di 30 mA.
      2. Successivamente essiccare il campione a RT per ottenere un film omogeneo e sottile di NP.
    2. Analisi dei dati XRD
      1. Analizza le posizioni dei picchi XRD con le schede JCPDS (Joint Committee on Powder Diffraction Standards). Ogni scheda JCPDS contiene informazioni sulla struttura cristallina di un materiale specifico, sui parametri del reticolo e sul modello XRD.

4. Applicazione dei PN/NS

  1. Analisi – Raman
    1. Inizialmente, raccogliere gli spettri Raman delle molecole di analita desiderate sotto forma di polvere. Analizzare i dati Raman raccolti per identificare i picchi spettrali corrispondenti ai modi vibrazionali della molecola dell'analita.
  2. Preparazione della soluzione madre
    1. Confermare la solubilità delle molecole dell'analita nel solvente scelto. Quindi, preparare le soluzioni madre delle molecole dell'analita con quantità accuratamente pesate o misurate.
    2. Ad esempio, per preparare una soluzione madre di 50 mM di molecola di blu di metilene (MB) in 5 mL di etanolo:
      1. Calcolare la quantità di polvere MB necessaria utilizzando la formula: massa = concentrazione (in mM) x volume (in L) x peso molecolare (in g/mol). In questo caso, massa = 50 mM x 0,005 L x 319 g/mol = 0,7995 g o circa 800 mg.
      2. Pesare 800 mg di MB in polvere utilizzando una bilancia digitale. Aggiungere la polvere in una bottiglia di vetro pulita.
      3. Aggiungere il solvente al flacone e agitare energicamente per sciogliere la polvere. Sigillare ermeticamente il tappo del flacone e mescolare accuratamente la soluzione.
  3. Raccolta dati Raman
    1. Raccogliere gli spettri Raman della soluzione madre depositando una goccia di 10 μL di soluzione madre su un pezzo di wafer di silicio pulito. La Figura 7A mostra la fotografia di uno spettrometro Raman portatile con un'eccitazione laser a 785 nm.
  4. Preparazione della molecola dell'analita
    1. Utilizzando una micropipetta, diluire la soluzione madre a diverse concentrazioni aggiungendo un volume appropriato di solvente a una serie di fiale di vetro a seconda dell'intervallo di concentrazione di interesse.
    2. Preparare la serie di diluizioni da una soluzione madre di 50 mM a una concentrazione finale utilizzando la formula C nota x Vnota = C incognita x Vincognita.
  5. Preparazione del substrato SERS
    1. Per preparare un substrato SERS utilizzando NP, depositare una piccola goccia di NP su una superficie di silicio pulita e lasciarla asciugare. Quindi, posizionare una piccola goccia della molecola di analita desiderata sul substrato di silicio rivestito di NP. Uno schema della preparazione dei substrati SERS utilizzando NP, ibridi e NS metallici è mostrato nella Figura 7B.
  6. Collezione di spettri SERS
    1. Raccogli i dati SERS utilizzando uno spettrometro Raman portatile con una sorgente di eccitazione laser a 785 nm. Confrontare i picchi Raman della molecola dell'analita con gli spettri con quelli degli standard di riferimento (polvere e soluzione madre).
  7. Analisi dei dati SERS
    1. Elabora gli spettri Raman e SERS ottenuti per la correzione del fondo, la sottrazione dei segnali di fluorescenza, il livellamento del segnale e la correzione della linea di base.
      1. Importare il file di testo nel software ORIGIN e quindi seguire i passaggi: analisi > picco e linea di base >analizzatore di picco > dialogo aperto > sottrazione di > linea di base successiva > definito dall'utente > aggiungere punto di correzione della linea di base > fatto > fine.
        NOTA: Si può scrivere il proprio programma Matlab/Python per ottenere questo risultato.
    2. Analizzare i picchi risultanti in termini di posizioni e intensità posizionando il punto di lettura/annotazione sul picco (in ORIGINE).
    3. Assegna i picchi alle corrispondenti assegnazioni della modalità vibrazionale Raman in base alle loro caratteristiche spettrali raccogliendo lo spettro Raman di massa, l'indagine della letteratura e/o i calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT).
  8. Calcolo della sensibilità
    1. Calcolare la scala del fattore di potenziamento (EF), definita come il rapporto tra l'intensità del segnale Raman ottenuto dal substrato attivo SERS e quella ottenuta dal substrato non plasmonico per una specifica modalità Raman della molecola dell'analita.
  9. Limite di rilevabilità
    1. Eseguire l'analisi quantitativa SERS utilizzando una curva di calibrazione lineare, che rappresenta la relazione tra la concentrazione dell'analita target e l'intensità del segnale Raman misurato.
      Limite di rilevamento (LOD) = 3 x (deviazione standard del rumore di fondo)/(pendenza della curva di calibrazione).
  10. Riproducibilità
    NOTA: La capacità del substrato di produrre costantemente segnali SERS uguali o simili per una data molecola di analita nelle stesse condizioni sperimentali è indicata come riproducibilità del substrato SERS.
    1. Calcolare la deviazione standard relativa (RSD) come segue: RSD = (deviazione standard/media) x 100%
      NOTA: In generale, i valori di RSD nell'intervallo 5%-20% sono considerati accettabili per la maggior parte degli esperimenti SERS, ma valori di RSD più bassi sono spesso auspicabili per misurazioni SERS più quantitative e affidabili

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Risultati

Le NP d'argento sono state sintetizzate tramite ablazione laser ps in tecnica liquida. In questo caso, è stato utilizzato un sistema laser ps con una durata dell'impulso di ~30 ps operante a una frequenza di ripetizione di 10 Hz e con una lunghezza d'onda di 355, 532 o 1.064 nm. L'energia dell'impulso in ingresso è stata regolata a 15 mJ. Gli impulsi laser sono stati focalizzati utilizzando una lente piano-convessa con una lunghezza focale di 10 cm. La messa a fuoco del laser dovrebbe essere esattamente sulla ...

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Discussione

Nella pulizia ad ultrasuoni, il materiale da pulire viene immerso in un liquido e onde sonore ad alta frequenza vengono applicate al liquido utilizzando un pulitore ad ultrasuoni. Le onde sonore provocano la formazione e l'implosione di minuscole bolle nel liquido, generando un'intensa energia e pressione locale che rimuovono e rimuovono lo sporco e altri contaminanti dalla superficie del materiale. Nell'ablazione laser, sono stati utilizzati un polarizzatore Brewster e una combinazione di piastre a semionda per sintoniz...

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Divulgazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Riconoscimenti

Ringraziamo l'Università di Hyderabad per il supporto attraverso il progetto dell'Institute of Eminence (IoE) UOH/IOE/RC1/RC1-2016. La sovvenzione IoE ha ottenuto la notifica F11/9/2019-U3(A) dall'MHRD, India. DRDO, India è riconosciuta per il sostegno finanziario attraverso ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. Ringraziamo la Scuola di Fisica, UoH, per la caratterizzazione FESEM e le strutture XRD. Vorremmo estendere la nostra sincera gratitudine al Prof. SVS Nageswara Rao e al suo gruppo per la loro preziosa collaborazione, i loro contributi e il loro supporto. Vorremmo esprimere il nostro apprezzamento ai membri del laboratorio passati e presenti, il dottor P Gopala Krishna, il dottor Hamad Syed, il dottor Chandu Byram, il signor S Sampath Kumar, la signora Ch Bindu Madhuri, la signora Reshma Beeram, il signor A Mangababu e il signor K Ravi Kumar per il loro inestimabile supporto e assistenza durante e dopo gli esperimenti di ablazione laser in laboratorio. Riconosciamo la proficua collaborazione del Dr. Prabhat Kumar Dwivedi, IIT Kanpur.

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Materiali

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

Riferimenti

  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).
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