Trace-Level Detection of Secondary Explosives Using Hybrid Silver–Gold Nanoparticles and Nanostructures Achieved with Femtosecond Laser Ablation

Abstract

Hybrid silver−gold targets were achieved by effortless mixing of pure silver (Ag) and gold (Au) metals at different ratios (Ag 0.65 Au 0.35 , Ag 0.5 Au 0.5 , and Ag 0.35 Au 0.65 ) and embracing a manual melting process. The obtained targets were ablated by ultrafast (∼40 fs) laser pulses in acetone ensuing the fabrication of Ag−Au bimetallic nanoparticles (NPs) and nanostructures (NSs) in a single experiment. UV−visible extinction spectra of Ag−Au colloids demonstrated the tuning of localized surface plasmon resonance (LSPR) in the spectral range of 406−524 nm. The morphologies of NSs were investigated by the field emission scanning electron microscopy (FESEM) technique. Ag−Au NPs and NSs were utilized as surface enhanced Raman scattering (SERS) platforms to detect secondary explosive molecules such as 1,1-diamino-2,2-dinitroethene (FOX-7, 5 μM concentration) and 1-nitro pyrazole (1NPZ, 20 nM concentration). Our experimental observations clearly demonstrated that the increment in gold percentage reduced the surface activity of Ag−Au NPs/NSs. The estimated enhancement factors (EFs) from the SERS data were typically >10 8 . Our detailed investigations revealed that the NPs and NSs of Ag 0.65 Au 0.35 exhibited significant EFs compared to other ratios and pure metals of Ag and Au. ■ INTRODUCTIONFabrication of pure plasmonic metal (Au, Ag, and Cu) nanoparticles (NPs) achievable through sophisticated chemical methodologies is well established and understood by the scientific community. However, many of these methods demands hours of monitoring and post production processes such as cleaning the nanomaterials to remove chemical dopants and impurities. Similarly, shape controlled production of bimetallic NPs through utilizing surfactants and reagents is also well-known in chemical methods. Many of the earlier reports revealed that bimetallic (Au−Ag, Ag−Cu, and Au−Cu) NPs were fabricated by adding individual colloidal solutions of gold, silver, and copper with different proportions to achieve hybridization of the localized surface plasmon resonances (LSPRs). Ultrafast laser ablation in liquids (ULAL) is a clean, green method which does not utilize chemicals for fabrication of NPs/NSs, and importantly, it does not necessitate extreme cleaning of NPs/NSs. Moreover, simultaneous fabrication of NPs and NSs is possible in the ULAL technique 1−15 in contrast to other chemical methods. Even though some of the solution (chemical) methods are fast (in terms of time taken) compared to various ablation techniques, the main problem with them is that the capped ligand molecules sit on surface of NPs and thus blocks the analyte molecules to achieve direct contact with NP surface. The main objective of fabricating alloy nanomaterials is to find out the exact proportion of individual metals, which exhibits superior performance (in this case, our interest is in the surface enhanced Raman signal) and, hence, are versatile and compatible in many fields such as biomedicine, spectroscopy, and photonics. For example, it has been demonstrated th...

Femtosecond Laser Fabricated Ag@Au and Cu@Au Alloy Nanoparticles for Surface Enhanced Raman Spectroscopy Based Trace Explosives Detection

“…Chen et al detected ammonium nitrate (AN) and RDX with EF of ∼7.0 × 10 4 using a monolayer of ordered Au NPs on Si substrates [23]. Our group has recently demonstrated the detection of several explosives such as picric acid (5 µM), AN (50 µM) using gold nanoparticles and nanostructures [13], ammonium perchlorate (10 µM) using Ag decorated Silicon nanowires [24], FOX-7 (5 µM) and 1NPZ (20 nM) [25], ANTA (1 µM) and TNT with E.F.'s >10 5 [26] using femtosecond laser fabricated NPs/NSs. Furthermore, we have also reported the detection of 2, 4-Dinitrotoluene using Ag-Au nanostructures achieved using femtosecond laser ablation [13].…”

Оптическая спектроскопия массивов биметаллических наночастиц Ag-Au, полученных методом вакуум-термического испарения

“…DOI: 10.21883/PJTF.2017.05. 44355.16460 В последнее время особый интерес для исследований представляют методы формирования сплавных и составных металлических наноча-стиц (НЧ), чьи оптические, каталитические и иные свойства существен-но отличаются от проявляемых чистыми металлами (Cu, Ag, Au) [1][2][3][4] и при этом представляют значительный интерес для использования в различных приборах. В первую очередь эти массивы позволяют 4 Д.Г.…”

“…Мельников... избежать таких недостатков чистых металлических НЧ, затрудняющих их использование, как химическая активность медных НЧ, окисление и сульфидизация серебряных и слабый локализованный поверхностный плазмонный резонанс (ЛППР) золотых НЧ [3]. Поскольку систе-ма Ag-Au представляет собой ряд непрерывных твердых растворов, появляется возможность плавного управления положением ЛППР в диапазоне длин волн, соответствующих чистому Ag и чистому Au, путем изменения процентного соотношения компонентов [3].…”

“…Получение таких биметаллических частиц может быть осуществ-лено разными способами, в частности лазерной абляцией сплавных мишеней в жидкости [3] или химическими методами [4]. Недавно нами было показано, что массивы НЧ благородных металлов с заданным средним размером можно воспроизводимо получать методом вакуум-термического испарения малых порций вещества [5][6][7].…”

“…Это означает, что данная структура (рис. 1, b), представляет собой сплав Ag и Au, в противном случае следовало бы ожидать наличия двух минимумов [3]. Учитывая, что на данном этапе образец не подвергался дополнительной термо-обработке, можно утверждать, что сплавление происходит в момент конденсации атомов второго металла.…”