Сверхбыстрые наночастицы и наноструктуры с лазерной абляцией для поверхностного зондирования на основе комбинационного рассеяния

Резюме

Сверхбыстрая лазерная абляция в жидкости является точным и универсальным методом синтеза наноматериалов (наночастиц [НЧ] и наноструктур [НС]) в жидко-воздушных средах. Наноматериалы, полученные с помощью лазерной абляции, могут быть функционализированы комбинацион-активными молекулами для усиления рамановского сигнала аналитов, размещенных на NS/NP или рядом с ними.

Аннотация

Техника сверхбыстрой лазерной абляции в жидкостях развивалась и совершенствовалась в течение последнего десятилетия, с несколькими предстоящими применениями в различных областях, таких как сенсорика, катализ и медицина. Исключительной особенностью этого метода является формирование наночастиц (коллоидов) и наноструктур (твердых тел) в одном эксперименте с ультракороткими лазерными импульсами. Мы работали над этим методом в течение последних нескольких лет, исследуя его потенциал с использованием метода комбинационного рассеяния с поверхностным усилением (SERS) в приложениях для обнаружения опасных материалов. Сверхбыстрые лазерные субстраты (твердые и коллоидные) могут обнаруживать несколько молекул аналита на следовых уровнях/форме смеси, включая красители, взрывчатые вещества, пестициды и биомолекулы. Здесь мы представляем некоторые результаты, достигнутые с использованием целевых показателей Ag, Au, Ag-Au и Si. Мы оптимизировали полученные наноструктуры (НС) и наночастицы (НЧ) (в жидкостях и воздухе) с использованием различных длительностей импульсов, длин волн, энергий, форм импульсов и геометрии записи. Таким образом, различные НС и НЧ были проверены на эффективность в обнаружении многочисленных молекул аналита с помощью простого портативного рамановского спектрометра. Эта методология, будучи оптимизированной, прокладывает путь для применения в полевых условиях. Мы обсуждаем протоколы по (а) синтезу НЧ/НС с помощью лазерной абляции, (б) характеризации НЧ/НС и (в) их использованию в исследованиях зондирования на основе SERS.

Введение

Сверхбыстрая лазерная абляция — это быстро развивающаяся область взаимодействия лазера с материалом. Высокоинтенсивные лазерные импульсы с длительностью импульсов в фемтосекундном (fs) и пикосекундном (ps) диапазоне используются для создания точной абляции материала. По сравнению с наносекундными (нс) лазерными импульсами, лазерные импульсы ps могут аблизировать материалы с более высокой точностью и аккуратностью из-за их меньшей длительности импульса. Они могут генерировать меньше сопутствующих повреждений, мусора и загрязнения абляционного материала из-за меньшего теплового воздействия. Тем не менее, ps-лазеры, как правило, дороже, чем ns-лазеры, и требуют специальн....

протокол

Типичная блок-схема протокола применения сверхбыстрых абляционных НЧ или НС при детектировании следовых количеств молекул с помощью SERS показана на рисунке 1A.

1. Синтез металлических НП/НС

ПРИМЕЧАНИЕ: В зависимости от требований/применения выберите материал мишени, окружающую жидкость и параметры лазерной абляции.
Здесь:
Материалы мишеней: Ag
Окружающая жидкость: 10 мл DI
Параметры лазера: 355/532/1064 нм; 30 пс; 10 Гц; 15 мДж
Фокусирующая линза: Плоско-выпуклая линза (фокусное расстояние: 10 см)
Параметры ступени: 0,1 мм/с по осям X и Y

Результаты

НУЧ серебра синтезировали с помощью лазерной абляции в жидкостной технике. Здесь использовалась лазерная система ps-лазера с длительностью импульса ~30 пс, работающая с частотой повторения 10 Гц и длиной волны 355, 532 или 1064 нм. Энергия входного импульса была доведена до 15 мДж. Лазерные ?.......

Обсуждение

При ультразвуковой очистке очищаемый материал погружается в жидкость и высокочастотные звуковые волны наносятся на жидкость с помощью ультразвуковой мойки. Звуковые волны вызывают образование и схлопывание крошечных пузырьков в жидкости, генерируя интенсивную локальную энергию и д.......

Материалы

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