אנו מודים לאוניברסיטת היידראבאד על התמיכה באמצעות פרויקט המכון למצוינות (IoE) UOH / IOE / RC1 / RC1-2016. מענק ה- IoE קיבל הודעת vide F11/9/2019-U3(A) מה- MHRD, הודו. DRDO, הודו מוכרת במימון תמיכה באמצעות ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)]. אנו מודים לבית הספר לפיזיקה, UoH, על אפיון FESEM ומתקני XRD. ברצוננו להביע את תודתנו הכנה לפרופ' SVS Nageswara Rao ולקבוצתו על תרומתם ותמיכתם רבת הערך בשיתוף פעולה. ברצוננו להביע את הערכתנו לחברי המעבדה בעבר ובהווה ד"ר פ גופלה קרישנה, ד"ר חמד סיד, ד"ר צ'נדו בירם, מר ס. סמפת' קומאר, גב' צ'ה בינדו מדהורי, גב' רשמה ביראם, מר א מנגאבו ומר ק' ראווי קומאר על תמיכתם ועזרתם שלא יסולא בפז במהלך ואחרי ניסויי אבלציה בלייזר במעבדה. אנו מכירים בשיתוף הפעולה המוצלח של ד"ר Prabhat Kumar Dwivedi, IIT Kanpur.

תרשים זרימה טיפוסי של פרוטוקול של היישום של NPs או NSs מהירים במיוחד בזיהוי עקבות של מולקולות באמצעות SERS מוצג באיור 1A.
1. סינתזה של NPs / NSs מתכתיים
הערה: בהתאם לדרישה/יישום, בחר את חומר היעד, את הנוזל שמסביב ואת פרמטרי האבלציה בלייזר. ה?...

סינתזה של ננו-חלקיקים וננו-מבנים באמצעות אבלציה בלייזר

בניקוי אולטרסוניקציה, החומר שיש לנקות שקוע בנוזל וגלי קול בתדר גבוה מוחלים על הנוזל באמצעות שואב קולי. גלי הקול גורמים להיווצרות וקריסה של בועות זעירות בנוזל, ומייצרים אנרגיה ולחץ מקומיים עזים הפולטים ומסירים לכלוך ומזהמים אחרים מפני השטח של החומר. באבלציה בלייזר, נעשה שימוש בשילוב של מק?...

אבלציה בלייזר אולטרה-מהירה היא תחום מתפתח במהירות של אינטראקציות לייזר-חומר. פולסי לייזר בעוצמה גבוהה עם משכי פולס בטווח הפמטו-שנייה (fs) עד פיקו-שנייה (ps) משמשים ליצירת אבלציה מדויקת של חומר. בהשוואה לפעימות לייזר ננו-שניות (ns), פולסי לייזר PS יכולים לעבד חומרים בדיוק ודיוק גבוהים יותר בשל משך הפולס הקצר שלהם. הם יכולים ליצור פחות נזק אגבי, פסולת וזיהום של החומר ablated עקב פחות השפעות תרמיות. עם זאת, לייזרי ps הם בדרך כלל יקרים יותר מלייזרים ns וזקוקים למומחיות מיוחדת לתפעול ותחזוקה. פעימות הלייזר האולטרה-מהירות מאפשרות שליטה מדויקת על שקיעת האנרגיה, מה שמוביל לנזק תרמי מקומי וממוזער מאוד לחומר שמסביב. בנוסף, אבלציה מהירה במיוחד בלייזר יכולה להוביל ליצירת ננו-חומרים ייחודיים (כלומר, חומרים פעילי שטח / חומרי מכסה אינם חובה במהלך הייצור של ננו-חומרים). לכן, אנו יכולים לקרוא לזה שיטת סינתזה/ייצור ירוקה 1,2,3. המנגנונים של אבלציה לייזר אולטרה מהירה מורכבים. הטכניקה כוללת תהליכים פיזיקליים שונים, כגון (א) עירור אלקטרוני, (ב) יינון, ו-(ג) יצירת פלזמה צפופה, הגורמת לפליטת חומר מפני השטח4. אבלציה בלייזר היא תהליך פשוט בן שלב אחד לייצור ננו-חלקיקים (NPs) בעלי תפוקה גבוהה, פיזור גודל צר וננו-מבנים (NS). נאסר ואחרים ערכו סקירה מפורטת של הגורמים המשפיעים על הסינתזה והייצור של NPs באמצעות שיטת אבלציה בלייזר. הסקירה כיסתה היבטים שונים, כגון פרמטרים של פולס לייזר, תנאי מיקוד ומדיום האבלציה. הסקירה דנה גם בהשפעתם על ייצור מגוון רחב של NPs באמצעות שיטת אבלציה בלייזר בנוזל (LAL). ננו-חומרים בלייזר הם חומרים מבטיחים, עם יישומים בתחומים שונים כגון קטליזה, אלקטרוניקה, חישה ויישומים ביו-רפואיים, פיצול מים 6,7,8,9,10,11,12,13,14.
פיזור ראמאן משופר פני השטח (SERS) היא טכניקת חישה אנליטית רבת עוצמה המשפרת באופן משמעותי את אות הרמאן ממולקולות בדיקה/אנליט הנספגות על NSs/NPs מתכתיים. SERS מבוסס על עירור תהודה פלסמונית פני השטח בNPs / NSs מתכתיים, מה שמביא לעלייה משמעותית בשדה האלקטרומגנטי המקומי ליד תכונות הננו המתכתיות. שדה משופר זה מקיים אינטראקציה עם המולקולות הנספגות על פני השטח, מה שמשפר באופן משמעותי את אות הרמאן. טכניקה זו שימשה לזיהוי אנליטים שונים, כולל צבעים, חומרי נפץ, חומרי הדברה, חלבונים, DNA וסמים15,16,17. בשנים האחרונות חלה התקדמות משמעותית בפיתוח מצעי SERS, כולל שימוש ב-NPs מתכתיים בעלי צורה שונה 18,19 (ננו-מוטות, ננו-כוכבים וננו-חוטים), NSsהיברידיים 20,21 (שילוב של המתכת עם חומרים אחרים כגון Si22,23, GaAs 24, Ti 25, גרפן 26, MOS227, Fe 28וכו'), וכן מצעים גמישים29,30 (נייר, בד, ננופייבר וכו'). פיתוח אסטרטגיות חדשות אלה במצעים פתח אפשרויות חדשות לשימוש ב- SERS ביישומים שונים בזמן אמת.
פרוטוקול זה דן בייצור NPs Ag באמצעות לייזר ps באורכי גל שונים ו- NPs מסגסוגת Ag-Au (עם יחסים שונים של מטרות Ag ו- Au) המיוצרים באמצעות טכניקת אבלציה בלייזר במים מזוקקים. בנוסף, מיקרו/ננו-מבנים מסיליקון נוצרים באמצעות לייזר fs על סיליקון באוויר. NPs ו- NSs אלה מאופיינים בבליעה נראית אולטרה סגולה (UV), מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת (TEM), עקיפה של קרני רנטגן (XRD) ומיקרוסקופ אלקטרונים סורק פליטת שדה (FESEM). יתר על כן, נדונה הכנת מצעי SERS ומולקולות אנליטיות, ולאחר מכן איסוף ספקטרום ראמאן ו- SERS של מולקולות האנליט. ניתוח הנתונים מבוצע כדי לקבוע את גורם השיפור, הרגישות ויכולת השחזור של NPs/NSs עם ABLATED לייזר כחיישנים פוטנציאליים. בנוסף, נדונים מחקרי SERS טיפוסיים, ומוערכים ביצועי SERS של מצעים היברידיים. באופן ספציפי, נמצא כי ניתן לשפר את רגישות SERS של ננו-כוכבי הזהב המבטיחים בערך פי 21 על ידי שימוש בסיליקון מובנה לייזר במקום משטחים רגילים (כגון Si/glass) כבסיס.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Alloys</td>
			<td>Local goldsmith</td>
			<td>N/A</td>
			<td>99% pure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Axicon</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td>N/A</td>
			<td>100, IR range, AR coated, AX1210-B</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>Supelco, India</td>
			<td>CAS No. 64-17-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Femtosecond laser</td>
			<td>femtosecond&#160; (fs)&#160; laser amplifier&#160; Libra HE, Coherent</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Pulse duraction 50 fs; 
			wavelenngth 800 nm; 
			Rep rate 1 KHz; 
			Pulse Energy: 4 mJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FESEM</td>
			<td>Carl ZEISS, Ultra 55</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gatan DM3</td>
			<td>www.gatan.com</td>
			<td>Gatan Microscopy Suite 3.x</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gold target&#160;</td>
			<td>Sigma-Aldrich, India</td>
			<td></td>
			<td>99% pure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HAuCl4.3H2O</td>
			<td>Sigma-Aldrich, India</td>
			<td>CAS No. 16961-25-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High resolution translational stages</td>
			<td>Newport SPECTRA PHYSICS GMBI</td>
			<td>N/A</td>
			<td>M-443 High-Performance Low-Profile Ball Bearing Linear Stage; 
			The stage is only 1 inch high, and has 2 inches of travel.&#160;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Micro Raman</td>
			<td>Horiba LabRAM</td>
			<td>N/A</td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mirrors</td>
			<td>Edmund Optics</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Suitable mirrors for specific wavelength of laser</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Motion controller</td>
			<td>NEWPORT SPECTRA PIYSICS GMBI</td>
			<td>N/A</td>
			<td>ESP300 Controller-3 axes control</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Origin</td>
			<td>www.originlab.com</td>
			<td>Origin 2018</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Picosecond laser</td>
			<td>EKSPLA 2251</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Pulse duraction 30ps; 
			wavelenngth 1064 nm, 532 nm, 355 nm; 
			Rep rate 10 Hz; 
			Pulse Energy: 1.5 to 30 mJ</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Planoconvex lens</td>
			<td></td>
			<td>N/A</td>
			<td>focal length 10 cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Raman portable</td>
			<td>i-Raman plus,&#160; B&#38;W Tek, USA</td>
			<td>N/A</td>
			<td>785 nm, ~ 100 &#181;m laser spot&#160; fiber optic probe excitation and collection</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon wafer</td>
			<td>Macwin India Ltd.</td>
			<td></td>
			<td>1&#8211;10 &#937;-cm, p (100)-type</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver salt (AgNO3)</td>
			<td>Finar, India</td>
			<td>CAS No. 7783-90-6&#160;</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silver target</td>
			<td>Sigma-Aldrich, India</td>
			<td>CAS NO 7440-22-4</td>
			<td>99% pure</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TEM</td>
			<td>Tecnai TEM</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TEM grids</td>
			<td>Sigma-Aldrich, India</td>
			<td>TEM-CF200CU</td>
			<td>Copper Grid Carbon Coated&#160; 200 mesh</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thiram</td>
			<td>Sigma-Aldrich, India</td>
			<td>CAS No. 137-26-8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UV</td>
			<td>Jasco V-670</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XRD</td>
			<td>Bruker D8 advance</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

ultrafast laser-ablated nanoparticles and nanostructures for surface-enhanced raman scattering-based sensing applications

הטכניקה של אבלציה בלייזר אולטרה-מהירה בנוזלים התפתחה והבשילה בעשור האחרון, עם מספר יישומים צפויים בתחומים שונים כגון חישה, קטליזה ורפואה. התכונה יוצאת הדופן של טכניקה זו היא היווצרות של ננו-חלקיקים (קולואידים) וננו-מבנים (מוצקים) בניסוי יחיד עם פולסי לייזר קצרים במיוחד. אנו עובדים על טכניקה זו בשנים האחרונות, וחוקרים את הפוטנציאל שלה באמצעות טכניקת פיזור ראמאן משופרת פני השטח (SERS) ביישומי חישה של חומרים מסוכנים. מצעי לייזר מהירים במיוחד (מוצקים וקולואידים) יכולים לזהות מספר מולקולות אנליטיות ברמות הקורט/צורת התערובת, כולל צבעים, חומרי נפץ, חומרי הדברה וביומולקולות. כאן, אנו מציגים חלק מהתוצאות שהושגו באמצעות המטרות של Ag, Au, Ag-Au ו- Si. ביצענו אופטימיזציה של ננו-מבנים (NSs) וננו-חלקיקים (NPs) המתקבלים (בנוזלים ובאוויר) באמצעות משכי פולס שונים, אורכי גל, אנרגיות, צורות פולסים וגיאומטריות כתיבה. לפיכך, NSs ו- NPs שונים נבדקו על יעילותם בחישה של מולקולות אנליטיות רבות באמצעות ספקטרומטר ראמאן פשוט ונייד. מתודולוגיה זו, לאחר המיטוב, סוללת את הדרך ליישומי חישה בשטח. אנו דנים בפרוטוקולים ב-(א) סינתזה של NPs/NSs באמצעות אבלציה בלייזר, (ב) אפיון של NPs/NSs, ו-(ג) השימוש בהם במחקרי חישה מבוססי SERS.

Ultrafast laser ablation is a rapidly evolving field of laser-material interactions. High-intensity laser pulses with pulse durations in the femtosecond (fs) to picosecond (ps) range are used to generate precise material ablation. Compared to nanosecond (ns) laser pulses, ps laser pulses can ablate materials with higher precision and accuracy due to their shorter pulse duration. They can generate less collateral damage, debris, and contamination of the ablated material due to fewer thermal effects. However, ps lasers are typically more expensive than ns lasers and need specialized expertise for operation and maintenance. The ultrafast laser pulses enable precise control over the energy deposition, which leads to highly localized and minimized thermal damage to the surrounding material. Additionally, ultrafast laser ablation can lead to the generation of unique nanomaterials (i.e., surfactants/capping agents are not obligatory during the production of nanomaterials). Therefore, we can term this a green synthesis/fabrication method1,2,3. The mechanisms of ultrafast laser ablation are intricate. The technique involves different physical processes, such as (a) electronic excitation, (b) ionization, and (c) the generation of a dense plasma, which results in the ejection of material from the surface4. Laser ablation is a simple single-step process to produce nanoparticles (NPs) with high yield, narrow size distribution, and nanostructures (NSs). Naser et al.5 conducted a detailed review of the factors influencing the synthesis and production of NPs through the laser ablation method. The review covered various aspects, such as the parameters of a laser pulse, focusing conditions, and the ablation medium. The review also discussed their impact on producing a wide range of NPs using the laser ablation in liquid (LAL) method. The laser-ablated nanomaterials are promising materials, with applications in various fields such as catalysis, electronics, sensing, and biomedical, water splitting applications6,7,8,9,10,11,12,13,14.
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a powerful analytical sensing technique that significantly enhances the Raman signal from probe/analyte molecules adsorbed onto metallic NSs/NPs. SERS is based on the excitation of surface plasmon resonances in metallic NPs/NSs, which results in a significant rise in the local electromagnetic field near the metallic nano-features. This enhanced field interacts with the molecules adsorbed on the surface, significantly enhancing the Raman signal. This technique has been used to detect various analytes, including dyes, explosives, pesticides, proteins, DNA, and drugs15,16,17. In recent years, significant progress has been made in the development of SERS substrates, including the use of differently shaped metallic NPs18,19 (nanorods, nanostars, and nanowires), hybrid NSs20,21 (a combination of the metal with other materials&#160;such as Si22,23, GaAs24, Ti25, graphene26, MOS227, Fe28, etc.), as well as flexible substrates29,30 (paper, cloth, nanofiber, etc.). Developing these new strategies in the substrates has opened up new possibilities for using SERS in various real-time applications.
This protocol discusses the fabrication of Ag NPs using a ps laser at different wavelengths and Ag-Au alloy NPs (with different ratios of Ag and Au targets) fabricated using laser ablation technique&#160;in distilled water. Additionally, silicon micro/nanostructures are created using an fs laser on silicon in the air. These NPs and NSs are characterized using ultraviolet (UV)-visible absorption, transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), and field emission scanning electron microscopy (FESEM). Furthermore, the preparation of SERS substrates and analyte molecules are discussed, followed by the collection of Raman and SERS spectra of the analyte molecules. Data analysis is performed to determine the enhancement factor, sensitivity, and reproducibility of the laser-ablated NPs/NSs as potential sensors. Additionally, typical SERS studies are discussed, and the SERS performance of hybrid substrates is evaluated. Specifically, it has been found that the promising gold nanostars&#39; SERS sensitivity can be enhanced approximately 21 times by using laser-structured silicon instead of plain surfaces (such as Si/glass) as a base.

מחבר זרקור: התקדמות ויישומים בסינתזת ננו-חלקיקים באמצעות אבלציה בלייזר בנוזלים 

ננו-חלקיקים וננו-מבנים מהירים במיוחד בלייזר עבור יישומי חישה מבוססי פיזור ראמאן משופרים בפני השטח

Laser ablation and liquids technique focuses on synthesizing nanoparticles and nanostructures by ablating a target material in liquid or gas environment, forming ecofriendly nanoparticles without any surfactants. This research scope involves refining the laser parameters, analyzing nanoparticle properties, exploring synthesis mechanisms, and discovering applications in various fields such as catalysis, sensing, electronics, energy storage, and biomedical imaging. Recent developments in laser ablation for nanomaterial fabrication involve tailoring the nanoparticle sizes, shapes, and composition, scalable production methods, hybrid nanomaterial synthesis, and surface functionalization.These advances offer improved stability, extended shelf life, high scalability that is up to few grams per hour, and commercially viable colloidal nanoparticles and surface nanostructures production for diverse applications. In recent times, various other improvisations such as ultrafast vessel beam and vortex beam ablation processes have been implemented to generate exotic nanostructures, as well as nanoparticles, with tuneable shapes, sizes, and topographies. Technologies advancing nanoparticle synthesis via ultrafast laser ablation include molecular dynamic simulations for understanding the formation of these nanoparticles.Precise control for tailoring nanoparticle size, shape, and composition in C.2 TEM characterization and real time monitoring techniques. The experimental challenges involved are automation techniques through improved instrumentation and technology, addressing the initial establishment cost of the laser ablation technique itself, ensuring proper sample preparation, controlling the contamination, and announcing data analysis and interpretation for increased accuracy and reliability of the results. In our laboratory, we have investigated diverse materials such as gold, silver, zinc, titanium, copper, silicone, gallium arsenide, germanium, graphene oxide, Hafnium, and various biome metallic, trimetallic, and plus monoxides.Laser ablation experiments were conducted in different environments using various focusing conditions for precise material processing and nanoparticle synthesis.

NPs כסף סונתזו באמצעות אבלציה לייזר ps בטכניקה נוזלית. כאן, מערכת לייזר ps עם משך פולס של ~ 30 ps הפועל בקצב חזרה של 10 הרץ עם אורך גל של אחד של 355, 532, או 1,064 ננומטר שימש. אנרגיית דופק הקלט הותאמה ל -15 mJ. פולסי הלייזר היו ממוקדים באמצעות עדשה פלנו-קמורה בעלת אורך מוקד של 10 ס"מ. מיקוד הלייזר צריך להיו?...

Watch this Scientific Journal Video about Advancements and Applications in Nanoparticle Synthesis Through Laser Ablation in Liquids at JoVE.com

אבלציה מהירה במיוחד בלייזר בנוזל היא טכניקה מדויקת ורב-תכליתית לסינתזה של ננו-חומרים (ננו-חלקיקים [NPs] וננו-מבנים [NSs]) בסביבות נוזל/אוויר. ננו-חומרים בלייזר יכולים להיות פונקציונליים עם מולקולות פעילות ראמאן כדי לשפר את אות הרמאן של אנליטים הממוקמים על או ליד NSs/NPs.

The technique of ultrafast laser ablation in liquids has evolved and matured over the past decade, with several impending applications in various fields ...

טכניקת אבלציה ונוזלים בלייזר מתמקדת בסינתזה של ננו-חלקיקים וננו-מבנים על ידי שריפת חומר מטרה בסביבת נוזל או גז, ויוצרת ננו-חלקיקים ידידותיים לסביבה ללא חומרים פעילי שטח. היקף מחקר זה כולל זיקוק פרמטרי לייזר, ניתוח תכונות ננו-חלקיקים, חקר מנגנוני סינתזה וגילוי יישומים בתחומים שונים כגון קטליזה, חישה, אלקטרוניקה, אגירת אנרגיה ודימות ביו-רפואי. ההתפתחויות האחרונות באבלציה בלייזר לייצור ננו-חומרים כוללות התאמה אישית של גדלי הננו-חלקיקים, צורותיהם והרכבם, שיטות ייצור ניתנות להרחבה, סינתזת ננו-חומרים היברידית ופונקציונליות פני השטח.פיתוחים אלה מציעים יציבות משופרת, חיי מדף ארוכים יותר, מדרגיות גבוהה של עד כמה גרמים לשעה, וייצור מסחרי של ננו-חלקיקים קולואידים וננו-מבנים על פני השטח עבור יישומים מגוונים. בתקופה האחרונה, אלתורים שונים אחרים כגון אלומת כלי דם אולטרה-מהירה ותהליכי אבלציה של קרן מערבולת יושמו כדי ליצור ננו-מבנים אקזוטיים, כמו גם ננו-חלקיקים, עם צורות, גדלים וטופוגרפיות הניתנים לכוונון. טכנולוגיות המקדמות סינתזת ננו-חלקיקים באמצעות אבלציה אולטרה-מהירה בלייזר כוללות סימולציות דינמיות מולקולריות להבנת היווצרותם של ננו-חלקיקים אלה.בקרה מדויקת להתאמת גודל, צורה והרכב ננו-חלקיקים באפיון C.2 TEM ובטכניקות ניטור בזמן אמת. האתגרים הניסיוניים הכרוכים בכך הם טכניקות אוטומציה באמצעות מכשור וטכנולוגיה משופרים, טיפול בעלות ההקמה הראשונית של טכניקת אבלציה בלייזר עצמה, הבטחת הכנת דגימה נכונה, שליטה בזיהום והכרזה על ניתוח נתונים ופענוח להגברת הדיוק והאמינות של התוצאות. במעבדה שלנו חקרנו חומרים מגוונים כגון זהב, כסף, אבץ, טיטניום, נחושת, סיליקון, גליום ארסניד, גרמניום, תחמוצת גרפן, הפניום, ומגוון ביום מתכתי, טרימתכתי ובתוספת חד חמצני.ניסויי אבלציה בלייזר נערכו בסביבות שונות תוך שימוש בתנאי מיקוד שונים לעיבוד חומרים מדויק וסינתזה של ננו-חלקיקים.

ננו-חלקיקים וננו-מבנים מהירים במיוחד בלייזר עבור יישומי חישה מבוססי פיזור ראמאן משופרים בפני השטח

Abstract