JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Sıvıda ultra hızlı lazer ablasyonu, sıvı/hava ortamlarında nanomalzemeleri (nanopartiküller [NP'ler] ve nanoyapılar [NS'ler]) sentezlemek için hassas ve çok yönlü bir tekniktir. Lazerle ablasyonlu nanomalzemeler, NS'lerin / NP'lerin üzerine veya yakınına yerleştirilen analitlerin Raman sinyalini arttırmak için Raman aktif moleküllerle işlevselleştirilebilir.

Özet

Sıvılarda ultra hızlı lazer ablasyon tekniği, algılama, kataliz ve tıp gibi çeşitli alanlarda yaklaşan birkaç uygulama ile son on yılda gelişti ve olgunlaştı. Bu tekniğin istisnai özelliği, ultra kısa lazer darbeleri ile tek bir deneyde nanopartiküllerin (kolloidler) ve nanoyapıların (katılar) oluşturulmasıdır. Son birkaç yıldır bu teknik üzerinde çalışıyoruz ve tehlikeli madde algılama uygulamalarında yüzeyde geliştirilmiş Raman saçılımı (SERS) tekniğini kullanarak potansiyelini araştırıyoruz. Ultra hızlı lazerle kesilmiş substratlar (katılar ve kolloidler), boyalar, patlayıcılar, böcek ilaçları ve biyomoleküller dahil olmak üzere eser seviyelerde/karışım formunda birkaç analit molekülünü tespit edebilir. Burada, Ag, Au, Ag-Au ve Si hedefleri kullanılarak elde edilen sonuçlardan bazılarını sunuyoruz. Farklı darbe süreleri, dalga boyları, enerjiler, darbe şekilleri ve yazı geometrileri kullanarak elde edilen nanoyapıları (NS'ler) ve nanopartikülleri (NP'ler) (sıvılarda ve havada) optimize ettik. Bu nedenle, çeşitli NS'ler ve NP'ler, basit, taşınabilir bir Raman spektrometresi kullanılarak çok sayıda analit molekülünü algılamadaki verimlilikleri açısından test edildi. Bu metodoloji, bir kez optimize edildiğinde, sahada algılama uygulamalarının önünü açar. (a) NP'lerin/NS'lerin lazer ablasyon yoluyla sentezlenmesi, (b) NP'lerin/NS'lerin karakterizasyonu ve (c) SERS tabanlı algılama çalışmalarında kullanımları ile ilgili protokolleri tartışıyoruz.

Giriş

Ultra hızlı lazer ablasyonu, lazer-malzeme etkileşimlerinin hızla gelişen bir alanıdır. Hassas malzeme ablasyonu oluşturmak için femtosaniye (fs) ila pikosaniye (ps) aralığında darbe sürelerine sahip yüksek yoğunluklu lazer darbeleri kullanılır. Nanosaniye (ns) lazer darbeleriyle karşılaştırıldığında, ps lazer darbeleri, daha kısa darbe süreleri nedeniyle malzemeleri daha yüksek hassasiyet ve doğrulukla ablate edebilir. Daha az termal etki nedeniyle daha az ikincil hasar, döküntü ve ablasyon malzemesinin kirlenmesine neden olabilirler. Bununla birlikte, ps lazerler tipik olarak ns lazerlerden daha pahalıdır ve işletme ve bakım için özel uzmanlık gerektirir. Ultra hızlı lazer darbeleri, enerji birikimi üzerinde hassas kontrol sağlar, bu da çevredeki malzemede yüksek oranda lokalize ve en aza indirilmiş termal hasara yol açar. Ek olarak, ultra hızlı lazer ablasyonu, benzersiz nanomalzemelerin üretilmesine yol açabilir (yani, nanomalzemelerin üretimi sırasında yüzey aktif maddeler/kapatma maddeleri zorunlu değildir). Bu nedenle, bunu yeşil bir sentez/üretim yöntemiolarak adlandırabiliriz 1,2,3. Ultra hızlı lazer ablasyonunun mekanizmaları karmaşıktır. Teknik, (a) elektronik uyarma, (b) iyonizasyon ve (c) malzemenin yüzeyden püskürtülmesiyle sonuçlanan yoğun bir plazma oluşumu gibi farklı fiziksel süreçleri içerir4. Lazer ablasyon, yüksek verim, dar boyut dağılımı ve nanoyapılara (NS'ler) sahip nanopartiküller (NP'ler) üretmek için basit bir tek adımlı işlemdir. Naser ve ark.5, lazer ablasyon yöntemi ile NP'lerin sentezini ve üretimini etkileyen faktörlerin ayrıntılı bir incelemesini yaptı. İnceleme, bir lazer darbesinin parametreleri, odaklama koşulları ve ablasyon ortamı gibi çeşitli yönleri kapsıyordu. İnceleme ayrıca, sıvı içinde lazer ablasyon (LAL) yöntemini kullanarak çok çeşitli NP'lerin üretilmesi üzerindeki etkilerini de tartıştı. Lazerle ablasyonlu nanomalzemeler, kataliz, elektronik, algılama ve biyomedikal, su ayırma uygulamaları 6,7,8,9,10,11,12,13,14 gibi çeşitli alanlardaki uygulamalarla umut verici malzemelerdir.

Yüzeyde geliştirilmiş Raman saçılımı (SERS), metalik NS'ler/NP'ler üzerine adsorbe edilen prob/analit moleküllerinden gelen Raman sinyalini önemli ölçüde artıran güçlü bir analitik algılama tekniğidir. SERS, metalik NP'lerde/NS'lerde yüzey plazmon rezonanslarının uyarılmasına dayanır, bu da metalik nano özelliklerin yakınındaki yerel elektromanyetik alanda önemli bir artışa neden olur. Bu gelişmiş alan, yüzeyde adsorbe edilen moleküllerle etkileşime girerek Raman sinyalini önemli ölçüde artırır. Bu teknik, boyalar, patlayıcılar, böcek ilaçları, proteinler, DNA ve ilaçlar dahil olmak üzere çeşitli analitleri tespit etmek için kullanılmıştır15,16,17. Son yıllarda, farklı şekilli metalik NP'lerin 18,19 (nanoçubuklar, nanostarlar ve nanoteller), hibrit NS'lerin20,21 (metalin Si22,23, GaAs 24, Ti 25, grafen 26, MOS227, Fe 28 gibi diğer malzemelerle kombinasyonu) kullanımı da dahil olmak üzere SERS substratlarının geliştirilmesinde önemli ilerleme kaydedilmiştir, vb.), ayrıca esnek alt tabakalar29,30 (kağıt, kumaş, nanolif, vb.). Alt tabakalarda bu yeni stratejilerin geliştirilmesi, SERS'nin çeşitli gerçek zamanlı uygulamalarda kullanılması için yeni olanaklar açmıştır.

Bu protokol, farklı dalga boylarında bir ps lazer kullanılarak Ag NP'lerin ve damıtılmış suda lazer ablasyon tekniği kullanılarak üretilen Ag-Au alaşımlı NP'lerin (farklı oranlarda Ag ve Au hedefleri ile) imalatını tartışır. Ek olarak, havadaki silikon üzerinde bir fs lazer kullanılarak silikon mikro/nanoyapılar oluşturulur. Bu NP'ler ve NS'ler, ultraviyole (UV) görünür absorpsiyon, transmisyon elektron mikroskobu (TEM), X-ışını kırınımı (XRD) ve alan emisyon taramalı elektron mikroskobu (FESEM) kullanılarak karakterize edilir. Ayrıca, SERS substratlarının ve analit moleküllerinin hazırlanması tartışılır, ardından analit moleküllerinin Raman ve SERS spektrumlarının toplanması takip edilir. Potansiyel sensörler olarak lazerle kesilmiş NP'lerin/NS'lerin geliştirme faktörünü, hassasiyetini ve tekrarlanabilirliğini belirlemek için veri analizi yapılır. Ek olarak, tipik SERS çalışmaları tartışılmakta ve hibrit substratların SERS performansı değerlendirilmektedir. Spesifik olarak, umut verici altın nanostarların SERS duyarlılığının, baz olarak düz yüzeyler (Si/cam gibi) yerine lazer yapılı silikon kullanılarak yaklaşık 21 kat artırılabileceği bulunmuştur.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protokol

SERS yoluyla moleküllerin iz tespitinde ultra hızlı ablasyonlu NP'lerin veya NS'lerin uygulanmasının tipik bir protokol akış şeması Şekil 1A'da gösterilmektedir.

1. Metal NP'lerin/NS'lerin sentezlenmesi

NOT: İhtiyaca / uygulamaya bağlı olarak, hedef malzemeyi, çevreleyen sıvıyı ve lazer ablasyon parametrelerini seçin.
Burada:
Hedef malzemeler: Ag
Çevreleyen sıvı: 10 mL DI
Lazer parametreleri: 355/532/1064 nm; 30 beygir; 10 Hz; 15 mJ
Odaklama merceği: Plano-dışbükey mercek (odak uzaklığı: 10 cm)
Aşama parametreleri: X ve Y yönleri boyunca 0,1 mm/sn

  1. Lazer ablasyondan önce numune temizliği
    1. Yağlar, gresler ve mumlar dahil olmak üzere çeşitli organik malzemeleri gideren 40 dakika boyunca aseton kullanarak hedef yüzeyin ultrasonik temizliğini (50 kHz, 30 W, 15 °C) gerçekleştirin.
    2. Ardından, tuzlar ve şekerler gibi polar kirleticileri gidermek için yüzeyi 15 dakika daha etanol ile ultrasonik temizlemeye tabi tutun.
    3. Son olarak, numunenin yüzeyinde kalan solvent veya kirletici kalıntılarını gidermek için 15 dakika boyunca ultrasonik temizleme kullanarak yüzeyi deiyonize su (DW) ile temizleyin.
      NOT: Bu adımlar, yüzeyde bulunabilecek istenmeyen kirliliklerin ortadan kaldırılmasına yardımcı olacak ve doğru analiz yapılmasını sağlayacaktır.
  2. Numunenin ağırlığının ölçülmesi
    1. Ablasyondan önce numunenin ağırlığını ölçün.
    2. Numune üzerinde lazer ablasyon deneyini gerçekleştirin.
    3. Ablasyon deneyinden sonra numunenin ağırlığını tekrar ölçün.
    4. Ablasyondan önce ve sonra numunenin ağırlığını karşılaştırarak, deney sırasında çıkarılan malzeme miktarını tahmin edin. Bu bilgi, ablasyonlu ürünlerin konsantrasyonu ve verimi gibi ablasyonlu malzemenin özelliklerinin analiz edilmesinde faydalı olacaktır.
  3. Lazer parametrelerini ayarlayın
    1. Giriş lazer gücünü, numunenin ablasyon eşiğinden daha büyük olacak şekilde ayarlayın. Burada, Ag hedefinin ps lazer ablasyonu için ~150 mW'lık bir giriş gücü kullanıldı.
      NOT: Eşik, hedef malzemeyi buharlaştığı ve plazmaya dönüştürüldüğü noktaya kadar ısıtmak için gereken birim alan başına minimum enerjiyi ifade eder.
    2. Lazer darbe enerjisini ayarlamak için bir polarizör ve yarım dalga plakasını birleştirin. Şekil 1B , ultra hızlı lazer ablasyonunun şemasını göstermektedir.
  4. Numune yüzeyine lazer odaklama ayarlamaları
    1. Malzeme yüzeyini kesmek için bir odaklama lensi kullanarak lazer ışınını s'ye odaklayın.
    2. Üretilen parlak plazmayı ve yayılan çatlama sesini gözlemleyerek Z yönünde bir çeviri aşaması kullanarak lazerin numune üzerindeki odağını manuel olarak ayarlayın.
      NOT: Lazer ablasyon deneyleri sırasında üretilen plazmayı görselleştirmek için, her iki konfigürasyonun fotoğrafları Şekil 2A'da verilmiştir: (i) havada lazer ablasyonu ve (ii) sıvıda lazer ablasyonu (LAL).
  5. Farklı odaklama türleri
    NOT: Odaklama optikleri, numune yüzeyindeki lazer (plazma oluşumu) ışınının enerji yoğunluğunu artırmaya yardımcı olarak daha verimli ablasyona yol açabilir. Plano-dışbükey lensler, axicon31, silindirik lensler vb. gibi çeşitli odaklama optiği türleri kullanılabilir.
    1. NP'lerin/NS'lerin sentezi üzerinde daha iyi kontrol sağlayan farklı ablasyon derinlikleri elde etmek gibi özel gereksinimlere bağlı olarak lazer ışınını numuneye odaklamak için odaklama optiklerini kullanın. Şekil 2B , LAL'de kullanılan üç odaklama koşulunu göstermektedir.
      NOT: Lazer ablasyonunda lazer odağının numune üzerinde ayarlanması, güvenlik ve doğruluğu sağlamak için belirli önlemler gerektirir.
    2. Doğru çalıştığından emin olmak için lazer odağını manipüle etmek için kullanılan ekipmanı kontrol edin ve bakımını yapın.
    3. Yaralanma veya ekipmanın hasar görmesi riskini en aza indirmek için lazer odağını güvenli ve doğru bir şekilde ayarlayın.
      NOT: Lenslerin odak uzaklığının seçimi, lazer ablasyonu için kullanılan malzemeye, lazer tipine (darbe süresi, ışın boyutu) ve ayrıca numune yüzeyinde istenen nokta boyutuna bağlıdır.
  6. Numunenin tarama alanı
    1. Örneği bir ESP hareket kontrol cihazına bağlı X-Y aşamalarına yerleştirin. Numune, lazer yayılma yönüne dik olarak hareket ediyor.
      NOT: ESP hareket kontrolörü, tek noktalı ablasyonu önlemek için numunenin X ve Y yönlerinde raster taramasını gerçekleştirmek için kullanılır.
    2. NP'lerin verimini etkilediğinden, numuneyle etkileşime giren lazer darbelerinin sayısını optimize etmek için tarama hızını (daha iyi metal NP verimi için tipik olarak 0,1 mm/sn) ve lazer işleme alanını ayarlayın.
    3. İstenilen boyutları elde etmek ve tek noktalı ablasyonu önlemek için, lazer ablasyon işlemi sırasında numuneyi tararken lazer desenleme yapın.
      NOT: Şekil 3A, B, sırasıyla Gauss ve Bessel ışınlarını devreye sokarak fs lazer ablasyon kurulum fotoğrafını göstermektedir.
  7. Metal NP'leri/NS'leri sentezlemek için sıvı içinde lazer ablasyonu
    1. İstenen tüm gereksinimleri ayarladıktan sonra bir lazer ablasyon deneyi yapın. Adım 1.1-1.6'da belirtilen adımları izleyin.
    2. Deney boyunca tutarlı kaldıklarından emin olmak için lazer gücünü ve diğer ayarları izlediğinizden emin olun.
    3. Lazer ışınının istenen alana odaklanmasını sağlamak için lazer ablasyon deneyi sırasında hedef malzemeyi sürekli olarak gözlemleyin.
      NOT: Şekil 3A,B, sırasıyla bir Gauss ışını ve bir aksicon ışını kullanarak NP'leri sentezlemek için fs lazer ablasyon deney düzeneklerini göstermektedir. Giriş darbelerini odaklamak için plano-dışbükey bir mercek kullanıldı. NP'lerin oluşumu, deneyin farklı zamanlarında elde edilen resimlerden açıkça görülmektedir. Çözeltinin rengi, NP'lerin oluşumunu gösterir ve çözeltideki bir renk değişikliği, NP'lerin artan verimini gösterir ( Şekil 4'te gösterilmiştir). Lazer laboratuvarında çalışırken, yalnızca uygun dalga boyu için onaylı lazer güvenlik gözlükleri kullanılarak lazer güvenlik gözlükleri takılmalıdır. Yüksek güçlü lazer ışınının göze herhangi bir şekilde başıboş yansıması son derece tehlikelidir ve geri dönüşü olmayan hasara neden olur. Lazer ışını, lazer laboratuvarındaki tüm insanlardan uzağa bakacak şekilde tutulmalıdır. Kurulumdaki optik elemanlar optik tablada bozulmadı. Deneyler yapılırken numune ve aşamalar izlenmelidir.

2. Kolloidal NP'lerin / NS'lerin depolanması

  1. Sentezlenen NP'leri temiz cam şişelerde saklayın ve NS'leri hava geçirmez kaplarda saklayın. Her ikisini de bir desikatöre yerleştirin.
    NOT: Şekil 5, farklı sıvıları ve hedefleri birleştirerek LAL yoluyla sentezlenen çeşitli renklerdeki kolloidal NP'leri göstermektedir. Burada, Şekil 5A,B, (i) DW ve NaCl gibi çeşitli çözücülerde metal NP'ler, Ag, Au ve Cu NP'ler dahil olmak üzere farklı kolloidal NP'lerin tipik fotoğraflarını göstermektedir; (ii) metal alaşımlı NP'ler, farklı bileşimlere sahip Ag-Au NP'ler, Ag-Cu NP'ler ve Au-Cu NP'ler; ve (iii) metal-yarı iletken alaşımlı NP'ler, titanyum-Au ve silikon-Au/Ag NP'ler. Bu fotoğraflar, kolloidal yöntemler kullanılarak sentezlenebilen NP'lerin çeşitliliğini gösterir ve metal-yarı iletken alaşımlı NP'lerin benzersiz optik özelliklerini sergiler. Kolloidal NP'lerin uygun şekilde saklanması, stabilitelerini sağlamak ve özelliklerini korumak için çok önemlidir. NP'lerle reaksiyona girmediği için plastik veya metal kaplar yerine cam şişeler tercih edilir. NP'ler/NS'ler, havaya maruz kalmayı en aza indirmek için sıkıca kapanan kapaklı bir kapta saklanmalı ve onları ışıktan koruyan karanlık bir yerde tutulmalıdır.

3. Lazerle kesilmiş NP'lerin / NS'lerin karakterizasyonu

NOT: Metal NS'leri/NP'leri karakterize etmek, özelliklerini anlamak ve boyut, şekil, bileşim vb. gibi kalitelerini sağlamak için hayati önem taşır.

  1. Absorpsiyon spektroskopisi
    NOT: UV-görünür absorpsiyon spektroskopisi, metal NP'leri karakterize etmek için iyi bilinen bir tekniktir. Hızlı, basit ve noninvaziv olarak kabul edilir, bu da onu NP'lerin çeşitli özelliklerini belirlemek için değerli bir araç haline getirir. Tepe noktalarının konumu, NP'lerin malzeme bileşimleri, boyut dağılımları, şekilleri ve çevreleyen ortam gibi çeşitli özellikleriyle ilgilidir.
    1. UV-görünür absorpsiyon çalışmaları için numune hazırlama
      1. Spektrumu kaydetmeden önce, NP'lerin çözeltide eşit olarak dağıtıldığından ve askıya alındığından emin olun. Bir numune küvetini 3 mL NP süspansiyonu ve baz çözücü (NP'lerin dağıldığı) ile doldurulmuş bir referans küveti ile doldurun. Küvetlerin temiz olduğundan ve kirletici maddelerden arınmış olduğundan emin olun.
      2. Absorpsiyon verilerini (200-900 nm spektral aralığında) 1 nm'lik tipik bir adım boyutu kullanarak toplayın.
  2. TEM analizi
    NOT: Kolloidal NP boyutu ve şekli bir transmisyon elektron mikroskobu ile incelendi ve daha sonra yazılım kullanılarak analiz edildi.
    1. TEM ızgara hazırlığı
      1. Bir mikropipet kullanarak, yaklaşık 2 μL metal NP süspansiyonunu, ince bir bakır ızgaranın üzerine ince bir karbon filmle kaplanmış bir TEM ızgarasına nazikçe dağıtın. Çözücünün oda sıcaklığında (RT) doğal olarak buharlaşmasına izin verin.
        NOT: TEM görüntülerinin toplanması için 200 kV'luk bir hızlanma gerilimi ve ~100 μA'lık bir elektron tabancası akımı kullanılmıştır. Mikrograflar 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 50 nm, 100 nm ve 200 nm'lik farklı büyütmelerde toplandı. NP'lerin boyut ve şeklini bulmak için TEM analizi kullanılmıştır.
  3. SEM analizi
    NOT: Lazerle ablasyonlu NS'lerin yüzey morfolojisi ve lazerle ablasyonlu NP'lerin çıplak Si/NS'ler üzerindeki birikimi/bileşimi FESEM kullanılarak incelendi. Lazerle kesilmiş bir metal/yarı iletken/alaşım NS numunesinin tipik bir fotoğrafı Şekil 6'da gösterilmektedir.
    1. SEM numune hazırlama: NP'lerin SEM karakterizasyonu için, NP'nin süspansiyonunun küçük bir damlacığını, numune tutucu görevi gören temizlenmiş bir silikon gofret üzerine bırakın. Ardından, numuneyi RT'de kurutun.
    2. Yüzey morfolojisi için daha fazla hazırlık yapmadan doğrudan FESEM karakterizasyonu için metal NS'leri kullanın.
      NOT: FESEM görüntülerinin toplanması için, elektron yüksek voltajı 3-5 kV idi ve çalışma mesafesi tipik olarak 5-7 mm, 5.000x, 10.000x, 20.000x, 50.000x ve 100.000x farklı büyütmelerdeydi.
  4. XRD analizi
    NOT: XRD, NP'lerin kristal yapısını ve kristal kalitesini karakterize etmek için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir.
    1. XRD numune hazırlama
      1. NP süspansiyonunun 50-100 μL'sini bir cam slayt üzerine bırakın. Damlaları dikkatlice bir cam numunenin ortasına damla damla ekleyin. Kaliteli XRD verileri elde etmek için NP'lerin cama dağıtıldığından emin olmak için damlaları aynı noktaya yavaşça ekleyin.
        NOT: Veriler, ~1 saatlik bir süre boyunca 0,01°'lik bir adım boyutuyla 3°-90° arasında toplanmıştır. Kullanılan X-ışını dalga boyu 1.54 A°, jeneratör voltajı 40 kV ve tüp akımı 30 mA idi.
      2. Daha sonra homojen, ince bir NP filmi elde etmek için numuneyi RT'de kurutun.
    2. XRD veri analizi
      1. Toz Kırınım Standartları Ortak Komitesi (JCPDS) Kartları ile XRD tepe konumlarını analiz edin. Her JCPDS kartı, belirli bir malzemenin kristal yapısı, kafes parametreleri ve XRD modeli hakkında bilgi içerir.

4. NP'lerin/NS'lerin uygulanması

  1. Raman analizi
    1. İlk olarak, istenen analit moleküllerinin Raman spektrumlarını toz halinde toplayın. Analit molekülünün titreşim modlarına karşılık gelen spektral tepe noktalarını belirlemek için toplanan Raman verilerini analiz edin.
  2. Stok çözeltisi hazırlama
    1. Analit moleküllerinin seçilen çözücüdeki çözünürlüğünü onaylayın. Ardından, analit moleküllerinin stok çözeltilerini doğru bir şekilde tartılmış veya ölçülmüş miktarlarda hazırlayın.
    2. Örneğin, 5 mL etanol içinde 50 mM'lik bir metilen mavisi (MB) molekülü stok çözeltisi hazırlamak için:
      1. Aşağıdaki formülü kullanarak gereken MB toz miktarını hesaplayın: kütle = konsantrasyon (mM cinsinden) x hacim (L cinsinden) x moleküler ağırlık (g/mol cinsinden). Bu durumda, kütle = 50 mM x 0.005 L x 319 g/mol = 0.7995 g veya yaklaşık 800 mg.
      2. Dijital terazi kullanarak 800 mg MB tozu tartın. Tozu temiz bir cam şişeye ekleyin.
      3. Şişeye çözücü ekleyin ve tozu çözmek için kuvvetlice çalkalayın. Şişe kapağını sıkıca kapatın ve çözeltiyi iyice karıştırın.
  3. Raman veri toplama
    1. Bir parça temiz silikon gofret üzerine 10 μL'lik bir stok çözeltisi damlatarak stok çözeltisi Raman spektrumlarını toplayın. Şekil 7A, 785 nm lazer uyarımına sahip taşınabilir bir Raman spektrometresinin fotoğrafını göstermektedir.
  4. Analit molekülü hazırlama
    1. Bir mikropipet kullanarak, ilgilenilen konsantrasyon aralığına bağlı olarak bir dizi cam şişeye uygun hacimde çözücü ekleyerek stok çözeltisini farklı konsantrasyonlarda seyreltin.
    2. Seyreltme serisini 50 mM'lik bir stok çözeltisinden C bilinen x Vbilinen = Cbilinmeyen x Vbilinmeyen formülünü kullanarak nihai konsantrasyona hazırlayın.
  5. SERS substrat hazırlığı
    1. NP'leri kullanarak bir SERS substratı hazırlamak için, temiz bir silikon yüzeye küçük bir damla NP damlatın ve kurumasını bekleyin. Ardından, NP kaplı silikon substrat üzerine istenen analit molekülünden küçük bir damla yerleştirin. NP'ler, hibrit ve metal NS'ler kullanılarak SERS substratlarının hazırlanmasının bir şeması Şekil 7B'de gösterilmektedir.
  6. SERS spektrum koleksiyonu
    1. 785 nm lazer uyarma kaynağına sahip taşınabilir bir Raman spektrometresi kullanarak SERS verilerini toplayın. Analit molekülünün Raman piklerini referans standartlarınkilerle (toz ve stok çözeltisi) spektrumlarla karşılaştırın.
  7. SERS veri analizi
    1. Arka plan düzeltmesi, floresan sinyallerinin çıkarılması, sinyalin yumuşatılması ve taban çizgisi düzeltmesi için elde edilen Raman ve SERS spektrumlarını işleyin.
      1. Metin dosyasını ORIGIN yazılımına aktarın ve ardından aşağıdaki adımları izleyin: tepe ve taban çizgisi > tepe analizörü > analiz > açık diyalog > taban çizgisini çıkarma > sonraki > kullanıcı tanımlı > taban çizgisi düzeltme noktası ekleme > bitiş > yapılır.
        NOT: Bunu başarmak için kendi Matlab/Python programını yazabilirsiniz.
    2. Okuyucu/açıklama noktasını tepe noktasına (ORIGIN'de) yerleştirerek ortaya çıkan tepe noktalarını konumları ve yoğunlukları açısından analiz edin.
    3. Toplu Raman spektrumu, literatür taraması ve/veya yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) hesaplamalarını toplayarak tepe noktalarını spektral özelliklerine göre karşılık gelen Raman titreşim modu atamalarına atayın.
  8. Hassasiyet hesaplaması
    1. Analit molekülünün belirli bir Raman modu için SERS aktif substratından elde edilen Raman sinyal yoğunluğunun, plazmonik olmayan substrattan elde edilene oranı olarak tanımlanan geliştirme faktörü (EF) ölçeğini hesaplayın.
  9. Algılama sınırı
    1. Hedef analitin konsantrasyonu ile ölçülen Raman sinyal yoğunluğu arasındaki ilişkiyi temsil eden doğrusal bir kalibrasyon eğrisi kullanarak kantitatif SERS analizi gerçekleştirin.
      Algılama sınırı (LOD) = 3 x (arka plan gürültüsünün standart sapması)/(kalibrasyon eğrisinin eğimi).
  10. Tekrarlanabilirlik
    NOT: Substratın, aynı deneysel koşullar altında belirli bir analit molekülü için tutarlı bir şekilde aynı veya benzer SERS sinyallerini üretme yeteneği, SERS substratının tekrarlanabilirliği olarak adlandırılır.
    1. Bağıl standart sapmayı (RSD) aşağıdaki gibi hesaplayın: RSD = (standart sapma/ortalama) x %100
      NOT: Genel olarak, %5-%20 aralığındaki RSD değerleri çoğu SERS deneyi için kabul edilebilir olarak kabul edilir, ancak daha kantitatif ve güvenilir SERS ölçümleri için genellikle daha düşük RSD değerleri tercih edilir

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Sonuçlar

Gümüş NP'ler sıvı teknikte ps lazer ablasyonu ile sentezlendi. Burada, 10 Hz tekrarlama hızında çalışan ve 355, 532 veya 1,064 nm'lik bir dalga boyuna sahip ~30 ps atım süresine sahip bir ps lazer sistemi kullanıldı. Giriş darbe enerjisi 15 mJ'ye ayarlandı. Lazer darbeleri, odak uzaklığı 10 cm olan plano-dışbükey bir lens kullanılarak odaklandı. Lazer ablasyonu sırasında lazer odağı tam olarak malzeme yüzeyinde olmalıdır, çünkü lazer enerjisi en çok istenen malzemenin çıkarı...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Tartışmalar

Ultrasonication temizliğinde, temizlenecek malzeme bir sıvıya daldırılır ve ultrasonik bir temizleyici kullanılarak sıvıya yüksek frekanslı ses dalgaları uygulanır. Ses dalgaları, sıvıda küçük kabarcıkların oluşmasına ve patlamasına neden olarak, malzemenin yüzeyindeki kiri ve diğer kirleticileri yerinden çıkaran ve uzaklaştıran yoğun yerel enerji ve basınç üretir. Lazer ablasyonunda, lazer enerjisini ayarlamak için bir Brewster polarizörü ve yarım dalga plaka kombinasyonu kullanıld...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.

Teşekkürler

Haydarabad Üniversitesi'ne Eminence Enstitüsü (IoE) projesi UOH / IOE / RC1 / RC1-2016 aracılığıyla destek için teşekkür ederiz. IoE hibesi, MHRD, Hindistan'dan F11/9/2019-U3(A) vide bildirimini aldı. DRDO, Hindistan, ACRHEM [[#ERIP/ER/1501138/M/01/319/D(R&D)] aracılığıyla finansman desteği için kabul edilmektedir. FESEM karakterizasyonu ve XRD tesisleri için Fizik Okulu, UoH'ye teşekkür ederiz. Prof SVS Nageswara Rao ve grubuna değerli işbirlikleri, katkıları ve destekleri için en içten şükranlarımızı sunarız. Geçmiş ve şimdiki laboratuvar üyeleri Dr. P Gopala Krishna, Dr. Hamad Syed, Dr. Chandu Byram, Bay S Sampath Kumar, Bayan Ch Bindu Madhuri, Bayan Reshma Beeram, Bay A Mangababu ve Bay K Ravi Kumar'a laboratuvardaki lazer ablasyon deneyleri sırasında ve sonrasında paha biçilmez destek ve yardımları için minnettarlığımızı ifade etmek isteriz. IIT Kanpur'dan Dr. Prabhat Kumar Dwivedi'nin başarılı işbirliğini kabul ediyoruz.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Malzemeler

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

Referanslar

  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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

Ultra H zl Lazer AblasyonNanopartik llerNanoyap larY zeysel Raman Sa lmasAlg lama UygulamalarKolloidlerKat larTehlikeli Madde Alg lamaAnalit Molek lleriAgAuAg AuSiNanoyap lar OptimizasyonuNanopartik l OptimizasyonuAt m S releriDalga BoylarEnerjilerDarbe ekilleriYaz GeometrileriAlan Alg lama Uygulamalar

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır