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

Авторы

  • 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

Ключевые слова:

наночастицы серебра, лазерная абляция в жидкостях, плазмонный резонанс, гигантское комбинационное рассеяние света

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

Библиографические ссылки

  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.

Загрузки

Дополнительные файлы

Опубликован

2022-06-06

Выпуск

№ 2 (2022): Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Раздел

Лазерные технологии

Лицензия

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).

Как цитировать

(1)
Гусаков, Г. А.; Пузырев, М. В. .; Горудко, И. В. .; Шамова, Е. В. .; Дорожкин, Р. Н. . Синтез и оптические характеристики наночастиц серебра, получаемых лазерной абляцией металла в жидкости. Журнал Белорусского государственного университета. Физика 2022, вып. 2, 39-49. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2022-2-39-49.
Crossref
Scopus
Google Scholar
Europe PMC