RU2789995C1 - Способ получения тонких пленок из коллоидных растворов наночастиц благородных металлов и их сплавов, полученных методом импульсной лазерной абляции для спектроскопии усиленного комбинационного рассеяния - Google Patents
Способ получения тонких пленок из коллоидных растворов наночастиц благородных металлов и их сплавов, полученных методом импульсной лазерной абляции для спектроскопии усиленного комбинационного рассеяния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2789995C1 RU2789995C1 RU2022114269A RU2022114269A RU2789995C1 RU 2789995 C1 RU2789995 C1 RU 2789995C1 RU 2022114269 A RU2022114269 A RU 2022114269A RU 2022114269 A RU2022114269 A RU 2022114269A RU 2789995 C1 RU2789995 C1 RU 2789995C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanoparticles
- colloidal solutions
- laser ablation
- pulsed laser
- raman spectroscopy
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к способу формирования наноструктурных пленок из наночастиц, полученных методом импульсной лазерной абляции для спектроскопии комбинационного рассеяния с поверхностным усилением (SERS). Способ получения тонкой пленки из коллоидных растворов наночастиц благородных металлов золота и серебра и их сплавов, полученных методом импульсной лазерной абляции для спектроскопии усиленного комбинационного рассеяния, заключается в том, что на подложку наносят коллоидные растворы наночастиц благородных металлов и их сплавов, наночастицы получают методом импульсной лазерной абляции с помощью Nd:YAG твердотельного лазера с длиной волны 1064 нм, энергии импульса порядка 150 мДж, частота 20 Гц, длительность импульса 7 нс, фокусирующей линзой F=5 см и длительностью воздействия в 15 минут, которые нанесены на полупроводниковые, металлические или диэлектрические подложки в один или несколько слоев. Технический результат – получение химически чистых и стабильных коллоидных растворов. 6 ил.
Description
Изобретение относится к способу формирования наноструктурных пленок из наночастиц, полученных методом импульсной лазерной абляции для спектроскопии комбинационного рассеяния с поверхностным усилением (SERS), которые могут быть использованы в качестве биологического сенсора при спектральном анализе методом рамановской спектроскопии органических молекул и сложных биологических объектов, такие как бактерии.
Известен способ формирования наноструктур на поверхности подложки путем воздействия лазерного излучения на образец через подложку с зазором между образцом и подложкой (патент RU 2407102, H01L 21/20, B82B 3/00, опубл. 20.12.2010 г.). Способ включает формирование наночастиц и наноструктур под действием варьируемого лазерного излучения. Лазерное излучение проходит через закрепленную на расстоянии от образца подложку, она является прозрачной для лазерного излучения или же имеет отверстие для прохождения лазерного излучения. Попадающее на образец лазерное излучение образует плазменный факел, из которого влетают частицы, осаждаемые на холодную подложку.
К недостаткам данной методики можно отнести неоднородность толщены нанесения, сравнительно маленькие площади нанесения, а также при описанном методе создания наноструктур выбитые с поверхности наночастицы не все попадают на поверхность.
Известен способ формирования подложек комбинационного рассеяния с усиленной поверхностью (патент US 9086380B2, G01N 21/65, опубл. 21.07.2015 г.). Способ включает в себя распыление коллоидных растворов наночастиц с помощью аппликатора, методами аэрографии, струйной печати, шелкографии, теснения, методами глубокой печати и/или флексографической печати. Наночастицы в коллоидных растворах порядка 15 до 50 нм в размере и с массовой долей не более 1% в присутствие стабилизаторов. После нанесения на втором этапе получения поверхности используют нагрев для удаления раствора и стабилизаторов.
В данном методе большим недостатком является наличие стабилизаторов коллоидных растворов, которые могут оставлять посторонний след.
Известен способ осаждения коллоидных наночастиц золота на поверхность кремниевых полупроводниковых пластин, выбранный в качестве прототипа (патент RU 2693546, B82B 1/00, H01L 21/3205, опубл. 03.07.2019 г.). Способ включает осаждение коллоидных наночастиц золота на предварительно обработанные кремниевые пластины. Обработка кремниевой подложки происходит благодаря проведению процессов ионно-плазменной обработки, что позволяет создавать положительный заряд на поверхности. Нанесение отрицательно заряженных наночастиц золота приводит к их равномерному нанесению на поверхность.
К недостаткам способа можно отнести ограничения на используемые материалы, нанесение на диэлектрические подложки, часто используемые для получения SERS подложек для спектроскопии комбинационного рассеяния, получает затруднения для равномерного нанесения данным методом.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является нанесение варьируемых коллоидных растворов для получения тонких пленок с последующим усилением сигнала комбинационного рассеяния для получения спектров модельных молекул и сложных органических, включая сложные биологические объекты, такие как бактерии.
Технический результат достигается получением химически чистых коллоидных растворов наночастиц методом импульсной лазерной абляции в жидкости. Использование этилового спирта в качестве растворителя позволяет получить более стабильные коллоидные растворы и обеспечить более однородное нанесение частиц на подложку. Использование сплавов плазмонных наночастиц обеспечивает более широкую вариативность по отношению к различным объектам и большую эффективность усиления комбинационного рассеяния.
Поставленная задача решается тем, что в заявленном способе на подложку наносят коллоидные растворы наночастиц благородных металлов и/или их сплавов, но, в отличие от прототипа, наночастицы получают методом импульсной лазерной абляции с помощью Nd:YAG твердотельного лазера с длинной волны 1064 нм, энергии импульса порядка 150 мДж, частота 20 Гц, длительность импульса 7 нс, фокусирующей линзой F=5 см и длительностью воздействия в 15 минут, которые могут быть нанесены на полупроводниковые, металлические или диэлектрические подложки в один или несколько слоев.
Получаемые покрытия являются химически чистыми, наличие дополнительных примесей часто влияют на получаемые усиленные спектры комбинационного рассеяния. Созданные пленки нижеописанным методом имеют большую рабочую поверхность и более двух месяцев стабильны без изменения спектральных свойств. Изменяя характеристики лазерной абляции в жидкости можно получать наночастицы различных спектральных свойств, что расширяет характеристики получаемых покрытий. Используя данный способ формирования можно быстро создать тонкие пленки, с заданными спектральными свойствами изменяя материал мишени и характеристики лазерного излучения. Данный метод можно использовать как покрытие для различных материалов основы, включая полупроводниковые, металлические, диэлектрические подложки различной площади.
Получением наночастиц различных благородных металлов, изменяя их размер и концентрацию с помощью варьирования характеристик импульсной лазерной абляции, а также используя сплавы, можно получать различный поверхностный плазмонный резонанс (ППР), который будет подходить под определенные длины волн возбуждения комбинационного рассеяния для улучшения спектральных характеристик рамановского спектра.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - Спектр поглощение коллоидного раствора наночастиц золота и изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) наночастиц.
Фиг. 2 - Усиление сигнала комбинационного рассеяния спектра родамина 6Ж концентрации 10-6 М в зависимости от количества нанесенных слоев покрытия из коллоидных наночастиц золота.
Фиг. 3 - ПЭМ изображение и распределение по размерам наночастиц, полученных методом импульсной лазерной абляции в жидкости, используя разный состав мишени (золото, серебро, сплав золота и серебра соотношения атомных масс 8:1 и 1:1).
Фиг. 4 - Спектры поглощение с указанием поверхностного плазмонного резонанса коллоидных растворов наночастиц, полученных методом импульсной лазерной абляции в жидкости, используя разный состав мишени (золото, серебро, сплав золота и серебра соотношения атомных масс 8:1 и 1:1).
Фиг. 5 - Усиленный спектр комбинационного рассеяния раствора L-триптофана на покрытии, полученном из наночастиц сплава золота и серебра в соотношения атомных масс 8:1.
Фиг. 6 - Полученный спектр бактерии E.Cole.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения.
ПРИМЕР 1
Тонкие пленки формируются из коллоидных растворов наночастиц золота, полученных методом импульсной лазерной абляции в этиловом спирте плотностью 807 г/м3. Для этого золотую мишень, изготовленную по госту ГОСТ 6835-2002, с массовой долей золота - 99,99%, помещают в 50 мл этанола и фокусируют на ней лазерной излучение с помощью линзы (F=5 см). В течение 15 минут происходит облучение Nd: YAG лазером (1064 нм, 7 нс, 150 мДж) при постоянном перемещении мишени, использовался. Получаемые коллоидные растворы концентрации 100 мг/л, размером около 10 нм и поверхностным плазмонным резонансов на 522 нм (см. Фиг. 1). В качестве материала основы подложек использовались предметные стекла размером 25х25 мм2. Нанесение коллоидного раствора осуществляется с помощью пипетки-дозатора по 300 мкл за один слой, после испарения спирта с поверхности, наносится последующий слой. В зависимости от количества нанесенных слоев сигнал комбинационного рассеяния увеличивается (см. Фиг. 2). Для сравнения спектральных характеристик усиления спектра комбинационного рассеяния использовался модельный краситель родамин 6Ж, рамановский микроскоп Renishaw inVia Base, лазер с длинной волны 532 нм, фокусирующийся с помощью объектива 50х.
ПРИМЕР 2
Тонкие пленки формируются из коллоидных растворов наночастиц золота, серебра, сплавов золота и серебра соотношения атомных масс 8:1 и 1:1. Коллоидные растворы получены методом импульсной лазерной абляции в этиловом спирте плотностью 807 г/м3. Для этого металлическую мишень помещают в 25 мл этанола и фокусируют на ней лазерной излучение с помощью линзы (F=5 см). Полученные растворы с помощью облучения Nd:YAG лазером (1064 нм, 7 нс, 150 мДж) имеют одинаковую концентрацию 48 мг/л, различные размеры (см. Фиг. 3) и поверхностный плазмонный резонанс (см. Фиг.4). В качестве материала основы подложек использовались предметные стекла размером 25х25 мм2. Для сравнения спектральных характеристик усиления спектра комбинационного рассеяния наносилось одинаковое количество слоев коллоидных растворов по 100 мкл за слой. Спектры комбинационного рассеяния получали с использованием рамановского микроскопа Renishaw inVia Base, лазер с длинной волны 532 нм и 785 нм, фокусирующийся с помощью объектива 50х. Спектр модельного красителя родамина 6Ж можно получить на любом из указанных выше материалов, для аминокислоты L-триптофана ощутимым является выбор материала основы - в описанных случаях спектр существует на покрытии полученной с помощью наночастиц из сплава золота и серебра соотношения атомных масс 8:1 (см. Фиг.5).
ПРИМЕР 3
Тонкие пленки формируются из коллоидных растворов наночастиц золота и серебра, полученных методом импульсной лазерной абляции в этиловом спирте плотностью 807 г/м3. Для этого золотую (серебряную) мишень, изготовленную по госту ГОСТ 6835-2002 (ГОСТ 6836-2002), с массовой долей золота (серебра) - 99,99%, помещают в 50 мл этанола и фокусируют на ней лазерной излучение с помощью линзы (F=5 см). В течение 15 минут происходит облучение Nd: YAG лазером (1064 нм, 7 нс, 150 мДж) при постоянном перемещении мишени, использовался. Получаемые коллоидные растворы концентрации 100 мг/л, наносили на предметные стекла размером 2х2,5 см по 250 мкл. На сухие подложки наносились бактерии кишечной палочки в питательной среде. Съемка происходила в режиме: 785 нм, фокусирующийся с помощью объектива 50х.
Claims (1)
- Способ получения тонкой пленки из коллоидных растворов наночастиц благородных металлов золота и серебра и их сплавов, полученных методом импульсной лазерной абляции для спектроскопии усиленного комбинационного рассеяния, заключающийся в том, что на подложку наносят коллоидные растворы наночастиц благородных металлов золота и серебра и их сплавов, отличающийся тем, что наночастицы получают методом импульсной лазерной абляции с помощью Nd:YAG твердотельного лазера с длиной волны 1064 нм, энергии импульса порядка 150 мДж, частота 20 Гц, длительность импульса 7 нс, фокусирующей линзой F=5 см и длительностью воздействия в 15 минут, которые нанесены на полупроводниковые, металлические или диэлектрические подложки в один или несколько слоев.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2789995C1 true RU2789995C1 (ru) | 2023-02-14 |
Family
ID=
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117030679A (zh) * | 2023-08-10 | 2023-11-10 | 北京伯仲汇智科技有限公司 | 一种高速加工具有拉曼增强活性纳米颗粒的系统和方法 |
| RU2825640C1 (ru) * | 2023-06-15 | 2024-08-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Способ получения сферических коллоидных наноразмерных частиц золота методом импульсной лазерной абляции |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2618484C1 (ru) * | 2015-12-22 | 2017-05-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Способ формирования металлуглеродных комплексов на основе наночастиц шунгита, золота и серебра |
| RU173887U1 (ru) * | 2016-05-17 | 2017-09-18 | Татьяна Юрьевна Сидоровнина | Устройство для синтеза наночастиц методом импульсной лазерной абляции в потоке жидкости |
| EP3094760B1 (en) * | 2014-01-15 | 2018-04-04 | Nanotechplasma SARL | Laser direct synthesis and deposit of nanocomposite materials or nanostructures |
| RU197802U1 (ru) * | 2019-05-06 | 2020-05-28 | Федор Владимирович Кашаев | Устройство для формирования наночастиц методом импульсной лазерной абляции мишени в жидкости |
| RU2756323C2 (ru) * | 2019-12-17 | 2021-09-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Способ аэрозольного распыления наночастиц в постоянном электрическом поле |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3094760B1 (en) * | 2014-01-15 | 2018-04-04 | Nanotechplasma SARL | Laser direct synthesis and deposit of nanocomposite materials or nanostructures |
| RU2618484C1 (ru) * | 2015-12-22 | 2017-05-03 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Способ формирования металлуглеродных комплексов на основе наночастиц шунгита, золота и серебра |
| RU173887U1 (ru) * | 2016-05-17 | 2017-09-18 | Татьяна Юрьевна Сидоровнина | Устройство для синтеза наночастиц методом импульсной лазерной абляции в потоке жидкости |
| RU197802U1 (ru) * | 2019-05-06 | 2020-05-28 | Федор Владимирович Кашаев | Устройство для формирования наночастиц методом импульсной лазерной абляции мишени в жидкости |
| RU2756323C2 (ru) * | 2019-12-17 | 2021-09-29 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | Способ аэрозольного распыления наночастиц в постоянном электрическом поле |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2825640C1 (ru) * | 2023-06-15 | 2024-08-28 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Способ получения сферических коллоидных наноразмерных частиц золота методом импульсной лазерной абляции |
| CN117030679A (zh) * | 2023-08-10 | 2023-11-10 | 北京伯仲汇智科技有限公司 | 一种高速加工具有拉曼增强活性纳米颗粒的系统和方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Giorgis et al. | Porous silicon as efficient surface enhanced Raman scattering (SERS) substrate | |
| US20120242987A1 (en) | Surface-enhanced raman scattering apparatus and methods | |
| JP2013527910A (ja) | 分子検出用基板を作成する方法及び装置 | |
| Agarwal et al. | Ag and Au nanoparticles for SERS substrates produced by pulsed laser ablation | |
| D’Andrea et al. | The controlled pulsed laser deposition of Ag nanoparticle arrays for surface enhanced Raman scattering | |
| Cade et al. | The plasmonic engineering of metal nanoparticles for enhanced fluorescence and Raman scattering | |
| Huang et al. | A facile method to fabricate a novel 3D porous silicon/gold architecture for surface enhanced Raman scattering | |
| CN109827947B (zh) | 一种基于局域光场增强的飞秒激光光还原制造表面增强拉曼基底的方法 | |
| Kondo et al. | Surface-enhanced Raman scattering in multilayered Au nanoparticles in anodic porous alumina matrix | |
| Ponlamuangdee et al. | Fabrication of paper-based SERS substrate using a simple vacuum filtration system for pesticides detection | |
| Kiris et al. | Laser-induced breakdown spectroscopy analysis of water solutions deposited on PTFE surface: Influence of copper oxide nanoparticles and NELIBS effect | |
| Chen et al. | Fabrication of tunable Au SERS nanostructures by a versatile technique and application in detecting sodium cyclamate | |
| RU2789995C1 (ru) | Способ получения тонких пленок из коллоидных растворов наночастиц благородных металлов и их сплавов, полученных методом импульсной лазерной абляции для спектроскопии усиленного комбинационного рассеяния | |
| Avasarala et al. | Gold-coated silicon nanoripples achieved via picosecond laser ablation for surface enhanced Raman scattering studies | |
| Marrapu et al. | Silver nanoribbons achieved by picosecond ablation using cylindrical focusing and SERS-based trace detection of TNT | |
| D’Andrea et al. | Synthesis by pulsed laser ablation in Ar and SERS activity of silver thin films with controlled nanostructure | |
| Chen et al. | Imprintable Au-based thin-film metallic glasses with different crystallinities for surface-enhanced Raman scattering | |
| Nguyen et al. | Production of SERS substrates using ablated copper surfaces and gold/silver nanoparticles prepared by laser ablation in liquids | |
| Gladskikh et al. | Ablation and fragmentation of gold nanoparticles under intense laser irradiation in the spectral regions of the dipole and quadrupole plasmon resonances | |
| Kuchmizhak et al. | Plasmon-mediated enhancement of rhodamine 6g spontaneous emission on laser-spalled nanotextures | |
| Fengping et al. | Surface hybrid structuring by laser removal and subtractive processing | |
| RU2804508C9 (ru) | Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния света | |
| RU2804508C1 (ru) | Способ изготовления подложки с экспрессным самоформированием наночастиц для получения спектров гигантского комбинированного рассеяния света | |
| Ageev et al. | Evolution of thin silver films under exposure to laser pulses in the air | |
| Xu et al. | Fast and eco-friendly fabrication of uniform Ag substrates for highly sensitive surface-enhanced Raman scattering |