Синтез и оптические характеристики наночастиц серебра, получаемых лазерной абляцией металла в жидкости

  • Григорий Анатольевич Гусаков Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Михаил Валентинович Пузырев Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь
  • Ирина Владимировна Горудко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Екатерина Вячеславовна Шамова Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Радислав Николаевич Дорожкин Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Исследован процесс абляции серебра в воде мощными лазерными импульсами (λ = 1064 нм, τ = 20 нс) в диапазоне плотностей мощности от 2,6 ⋅ 108 до 5,5 ⋅ 108 Вт/см2. Определены зависимости эффективности абляции и распределения наночастиц серебра по размерам от плотности мощности лазерного излучения и от длительности синтеза. Установлено, что образующиеся наночастицы имеют мультимодальное распределение, в котором можно выделить три фракции со средними размерами 5; 50 и более 100 нм. Частицы диаметром более 100 нм формируются в результате удаления жидкокапельной фазы непосредственно с поверхности мишени за счет гидродинамического механизма, частицы размером 5 и 50 нм – в результате конденсации на разных стадиях охлаждения пароплазменного образования. Доля этих фракций в золе серебра определяется эффективной плотностью мощности лазера на поверхности мишени. Показано, что импульсное лазерное облучение золя наночастиц серебра после завершения процесса синтеза позволяет существенно сузить гранулометрический состав и повысить стабильность получаемой суспензии. Установлено, что синтезированные наночастицы серебра, нанесенные на кремниевую подложку, способны эффективно усиливать сигнал комбинационного рассеяния сывороточного альбумина человека.

Биографии авторов

Григорий Анатольевич Гусаков, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник лаборатории лазерной плазмодинамики

Михаил Валентинович Пузырев, Институт прикладных физических проблем им. А. Н. Севченко БГУ, ул. Курчатова, 7, 220045, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук, доцент; заведующий лабораторией лазерной плазмодинамики

Ирина Владимировна Горудко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук, доцент; доцент кафедры биофизики физического факультета

Екатерина Вячеславовна Шамова, Институт биофизики и клеточной инженерии НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

кандидат биологических наук; заведующий лабораторией медицинской биофизики

Радислав Николаевич Дорожкин, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

студент физического факультета. Научный руководитель – И. В. Горудко

Литература

  1. Krutyakov YuA, Kudrinskiy AA, Olenin AYu, Lisichkin GV. Synthesis and properties of silver nanoparticles: achievements and prospects. Uspekhi khimii. 2008;77(3):242–269. Russian. DOI: 10.1070/RC2008v077n03ABEH003751.
  2. Rao SV, Podagatlapalli GK, Hamad S. Ultrafast laser аblation in liquids for nanomaterials and applications. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2014;14(2):1364 –1388. DOI: 10.1166/jnn.2014.9138.
  3. Shenashen MA, El-Safty SA, Elshehy EA. Synthesis, morphological control, and properties of silver nanoparticles in potential applications. Particle and Particle Systems Characterization. 2014;31(3):293–316. DOI: 10.1002/ppsc.201300181.
  4. Amendola V. Correlation of surface-enhanced Raman scattering (SERS) with the surface density of gold nanoparticles: evaluation of the critical number of SERS tags for a detectable signal. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2019;10:1016–1023. DOI: 10.3762/bjnano.10.102.
  5. Lee HK, Lee YH, Koh CSL, Phan-Quang GC, Han X, Lay CL, et al. Designing surface-enhanced Raman scattering (SERS) platforms beyond hotspot engineering: emerging opportunities in analyte manipulations and hybrid materials. Chemical Society Reviews. 2019;48(3):731–756. DOI: 10.1039/C7CS00786H.
  6. Terent’eva EA, Apyari VV, Kochuk EV, Dmitrienko SG, Zolotov YuA. [Application of silver nanoparticles in spectrophotometry]. Zhurnal analiticheskoi khimii. 2017;72(11):978–999. Russian. DOI: 10.7868/S0044450217110020.
  7. Baetke SC, Lammers T, Kiessling F. Applications of nanoparticles for diagnosis and therapy of cancer. British Journal of Radiology. 2015;88(1054):20150207. DOI: 10.1259/bjr.20150207.
  8. Lee SH, Jun B-H. Silver nanoparticles: synthesis and application for nanomedicine. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(4):865. DOI: 10.3390/ijms20040865.
  9. Aggarwal P, Hall JB, McLeland CB, Dobrovolskaia MA, McNeil SE. Nanoparticle interaction with plasma proteins as it relates to particle biodistribution, biocompatibility and therapeutic efficacy. Advanced Drug Delivery Reviews. 2009;61(6):428–437. DOI: 10.1016/j.addr.2009.03.009.
  10. Naddeo JJ, Ratti M, O’Malley SM, Griepeburg JC, Bubb DM, Klein EA. Antibacterial properties of nanoparticles: a comparative review of chemically synthesized and laser-generated particles. Advanced Science, Engineering and Medicine. 2015;7(12):1044 –1057. DOI: 10.1166/asem.2015.1811.
  11. Siripattanakul-Ratpukdi S, Furhacker M. Review: issues of silver nanoparticles in engineered environmental treatment systems. Water, Air and Soil Pollution. 2014;225(4):1939. DOI: 10.1007/s11270-014-1939-4.
  12. Amendola V, Meneghetti M. Laser ablation synthesis in solution and size manipulation of noble metal nanoparticles. Physical Chemistry Chemical Physics. 2009;11(20):3805–3821. DOI: 10.1039/b900654k.
  13. Amendola V, Meneghetti M. What controls the composition and the structure of nanomaterials generated by laser ablation in liquid solution? Physical Chemistry Chemical Physics. 2013;15(9):3027–3046. DOI: 10.1039/C2CP42895D.
  14. Tarasenko NV, Butsen AV, Nevar EA, Savastenko NA. Synthesis of nanosized particles during laser ablation of gold in water. Applied Surface Science. 2006;252(13):4439–4444. DOI: 10.1016/j.apsusc.2005.07.150.
  15. Ratti M, Naddeo JJ, Griepenburg JC, O’Malley SM, Bubb DM, Klein EA. Production of metal nanoparticles by pulsed laser-ablation in liquids: a tool for studying the antibacterial properties of nanoparticles. Journal of Visualized Experiments. 2017;124:55416. DOI: 10.3791/55416.
  16. Matsukovich AS, Shabunya-Klyachkovskaya EV, Sawczak M, Grochowska K, Maskowicz D, Śliwinski G. Gold nanoparticles for surface-enhanced Raman spectroscopy. International Journal of Nanoscience. 2019;18(3–4):1940069. DOI: 10.1142/S0219581X19400696.
  17. Stamplecoskie KG, Scaiano JC, Tiwari VS, Anis H. Optimal size of silver nanoparticles for surface-enhanced Raman spectroscopy. Journal of Physical Chemistry C. 2011;115(5):1403–1409. DOI: 10.1021/jp106666t.
  18. He RX, Liang R, Peng P, Zou YN. Effect of the size of silver nanoparticles on SERS signal enhancement. Journal of Nanoparticle Research. 2017;19(8):267. DOI: 10.1007/s11051-017-3953-0.
  19. Goncharov VK, Kozadaev KV, Makarov VV, Shchegrikovich DV. Occurrence of erosion processes in the near-surface region of metals exposed to intense nanosecond laser pulses. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2013;86(4):798–804. DOI: 10.1007/s10891-013-0897-9.
  20. Kozadaev KV. Condensation of ablation plumes in the irradiation of metals by high-intensity nanosecond laser pulses at atmospheric pressure. Quantum Electronics. 2016;46(1):16–22. DOI: 10.1070/QE2016v046n01ABEH015801.
  21. Tarasenko NV, Butsen AV, Nevar EA. Laser-induced modification of metal nanoparticles formed by laser ablation technique in liquids. Applied Surface Science. 2005;247:418–422. DOI: 10.1016/j.apsusc.2005.01.093.
  22. Zhu M, Han Y, Wehrspohn RB, Godet C, Etemadi R, Ballutaud D. The origin of visible photoluminescence from silicon oxide thin films prepared by dual-plasma chemical vapor deposition. Journal of Applied Physics. 1998;83:5386–5393. DOI: 10.1063/1.367407.
  23. Temple PA, Hathaway CE. Multiphonon Raman spectrum of silicon. Physical Review B. 1973;7:3685–3697. DOI: 10.1103/PhysRevB.7.3685.
  24. Szekeres PG, Kneipp J. Different binding sites of serum albumins in the protein corona of gold nanoparticles. Analyst. 2018;143(24):6061–6068. DOI: 10.1039/c8an01321g.
  25. Socrates G. Infrared and Raman characteristic group frequencies: tables and charts. 3rd edition. New York: John Wiley & Sons; 2004. 364 р.
  26. Kneipp J, Kneipp H, Kneipp K. Two-photon vibrational spectroscopy for biosciences based on surface-enhanced hyper-Raman scattering. Proceedings of the National Academy of Sciences. 2006;103(46):17149–17153. DOI: 10.1073/pnas.0608262103.
  27. Kneipp J, Li X, Sherwood M, Panne U, Kneipp H, Stockman MI, et al. Gold nanolenses generated by laser ablation-efficient enhancing structure for surface enhanced Raman scattering analytics and sensing. Analytical Chemistry. 2008;80(11):4247–4251. DOI: 10.1021/ac8002215.
Опубликован
2022-06-06
Ключевые слова: наночастицы серебра, лазерная абляция в жидкостях, плазмонный резонанс, гигантское комбинационное рассеяние света
Как цитировать
Гусаков, Г. А., Пузырев, М. В., Горудко, И. В., Шамова, Е. В., & Дорожкин, Р. Н. (2022). Синтез и оптические характеристики наночастиц серебра, получаемых лазерной абляцией металла в жидкости. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 2, 39-49. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-2-39-49