Способ получения тонких пленок из коллоидных растворов наночастиц благородных металлов и их сплавов, полученных методом импульсной лазерной абляции для спектроскопии усиленного комбинационного рассеяния

Авторы патента:

Волокитина Анастасия Владимировна (RU)

G01N21/658 - Исследование или анализ материалов с помощью оптических средств, т.е. с использованием инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей (G01N 3/00-G01N 19/00 имеют преимущество; измерение механических напряжений вообще G01L 1/00; оптические элементы измерительных приборов G02B; анализ изображений путем обработки данных G06T)

G01N21/65 - раманское рассеяние

B82Y40/00 - Нанотехнология

Владельцы патента RU 2789995:

Волокитина Анастасия Владимировна (RU)

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.

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.

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.

Изобретение относится к аналитической химии, в частности к способам люминесцентного определения тербия. Тербий переводят в люминесцирующее комплексное соединение с органическим реагентом (R) - офлоксацином.

Датчик химического состава вещества // 2788588

Использование: для определения химического состава вещества. Сущность изобретения заключается в том, что датчик химического состава вещества содержит пространственно разнесенные по меньшей мере один источник излучения и по меньшей мере один фотоприемник излучения, волновод с расположенной на нем чувствительной областью для размещения исследуемого вещества и оптически связанный по меньшей мере с одним источником и по меньшей мере с одним фотоприемником, причем по меньшей мере одна из поверхностей волновода выполнена в виде плоскости спайности, полученной при скалывании монокристалла, при этом волновод выполнен в виде стопки монокристаллических пластин, в которых область для размещения исследуемого вещества имеет оптический контакт с поверхностями, полученными при скалывании пластин по плоскостям спайности.

Способ калибровки интегрирующей камеры // 2788567

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа осуществления калиброванного измерения образца с использованием интегрирующей камеры. Способ включает этапы, на которых получают спектральные данные образца путем использования интегрирующей камеры с помещенным внутрь интегрирующей камеры образцом.

Способ изготовления sers-активной подложки // 2787341

Изобретение относится к области технологии создания наноструктурированных материалов для сверхчувствительной диагностики состава и строения органических веществ методом SERS-спектроскопии. Для изготовления SERS-активной подложки получают шаблон, представляющий собой полимерную пленку толщиной 10-20 мкм с массивом сквозных, по существу, одинаковых цилиндрических каналов диаметром 20-2000 нм, поверхностной плотностью 105-109 см-2.

Лазерный оптико-акустический газоанализатор и способ измерения концентрации газа // 2786790

Лазерный оптико-акустический газоанализатор и способ измерения концентрации газа предназначены для измерения концентрации одного или нескольких компонентов в газовой смеси посредством оптико-акустического эффекта. Заявленный лазерный оптико-акустический газоанализатор содержит лазер, плату управления, оптико-акустический детектор, воздушный фильтр, насос и дисплей для вывода рассчитанной концентрации.

Способ определения границы начала зоны насыщения электростатическими полями при системе электродов типа "игла - игла" в замкнутом объёме в среде жидких углеводородных горючих (охладителей) // 2785830

Изобретение относится к области исследования электростатических полей в различных средах и условиях, в частности в любых жидких углеводородных горючих (охладителях). На основе результатов экспериментальных исследований разработан новый беззондовый способ определения границы начала зоны насыщения электростатическими полями в жидких углеводородных горючих (охладителях), находящихся в замкнутом объеме экспериментальной бомбы с окнами визуализации, в условиях естественной конвекции, при различных температурах, при докритических, критических и сверхкритических давлениях, при подаче в постоянном режиме высоковольтных электростатических напряжений на отдающую иглу в системе электродов типа «игла - игла», находящихся внутри экспериментальной бомбы, без применения каких-либо датчиков или зондов путем создания эталонной экспериментальной базы данных по визуализации электрического ветра при помощи оптической установки Теплера, необходимых для сравнения с текущими значениями и быстрого определения в земных и космических условиях величин подаваемых высоковольтных электростатических напряжений, которые являются граничными, т.е.

Инфракрасная волоконно-оптическая система мониторинга растворенных газов и влаги в трансформаторном масле // 2785693

Изобретение относится к измерительной технике на основе волоконно-оптических каналов и предназначено для осуществления непрерывного контроля содержания влаги и растворенных газов в изоляционном масле. Заявленная инфракрасная волоконно-оптическая система мониторинга растворенных газов и влаги в трансформаторном масле включает источник инфракрасного излучения широкого диапазона, волоконно-оптический канал доставки оптического сигнала, оптические фильтры и приемники излучения.

Многоканальный газоанализатор и способ газового анализа // 2785169

Настоящее изобретение относится к измерительным приборам, в частности к приборам измерения параметров газа для анализа компонентов воздуха. Многоканальный газоанализатор включает корпус, в котором выполнены по крайней мере два газоприемных отверстия.

Способ и система для определения чистоты алмаза // 2784694

Изобретение относится к системе и способу определения чистоты драгоценного камня, в частности определения чистоты алмаза. Способ, осуществляемый с использованием компьютеризированной системы для оценки чистоты алмаза, при этом компьютеризированная система включает в себя устройство получения оптического изображения, процессор, предварительно обученную нейронную сеть и модуль вывода, функционально соединенные вместе, причем упомянутый способ включает этапы, на которых: (i) получают с помощью устройства получения оптического изображения одно или более множеств изображений осевой проекции алмаза с различной глубиной фокуса, в котором глубина фокуса определяется высотой алмаза, а множество изображений осевой проекции получают в среде, имеющей заданный постоянный уровень освещенности, и осевая проекция определяется как вид на алмаз в направлении центральной оси, перпендикулярной к площадке алмаза и проходящей через вершину павильона алмаза, а высота алмаза определяется как длина центральной оси алмаза, (ii) в процессоре объединяют множество осевых проекций для образования одного или нескольких одиночных оптических изображений, при этом одиночное изображение содержит дефекты в фокусе из множества осевых проекций, так что дефекты не в фокусе из множества осевых проекций внутри алмаза отбрасываются, (iii) устанавливают в предварительно обученной нейронной сети регрессивное значение, связанное со степенью чистоты упомянутого алмаза, на основе одного или более одиночных изображений, полученных на этапе (i), при этом предварительно обученную нейронную сеть предварительно обучают с использованием одного или более одиночных оптических изображений, полученных из множества алмазов, каждому из которых присвоена заранее назначенная степень чистоты, и при этом одно или более одиночных оптических изображений, полученных из группы алмазов, получают с помощью того же процесса, что и на этапе (i), и получают в среде с заданным постоянным уровнем освещенности, таким же, как и в (i), и (iv) в модуле вывода устанавливают степень чистоты алмазу (i) путем корреляции регрессивного значения из (ii) со степенью чистоты.

Способ картирования процесса атмосферно-вакуумной перегонки // 2783824

Изобретение относится к способам картирования процесса перегонки. Описан способ картирования атмосферно-вакуумной перегонки, содержащий этапы, на которых измеряют показатели преломления с помощью рефрактометра, значения плотности с помощью денсиметра, значения температур отбора нефтяных фракций с помощью датчика температуры на разных уровнях колонны атмосферной либо вакуумной перегонки или измеряют показатели преломления с помощью поточного рефрактометра, значения плотности с помощью поточного денсиметра, значения температуры с помощью датчика температуры в потоке нефтяных фракций; рассчитывают значения удельной рефракции, интерцепта рефракции и обратной плотности для каждой фракции с помощью средства обработки данных, предварительно определяют значения удельной рефракции, интерцепта рефракции и обратной плотности для температурных парафиновых, нафтеновых и ароматических реперов для всех температурных интервалов анализируемых фракций с помощью средства обработки данных, выполняют построение идентификационной карты атмосферно-вакуумной перегонки нефти в координатах интерцепт рефракции - удельная рефракция с нанесением на неё точек для всех фракций.

Оптический сенсор для тушения флуоресценции оптически активных аминокислот тромбоцитов и способ его получения // 2787689

Изобретение «Оптический сенсор для тушения флуоресценции оптически активных аминокислот тромбоцитов и способ его получения относится к области физики, а именно к оптике, и представляет собой устройство - оптический сенсор, основанный на эффекте тушения флуоресценции и применяемый для анализа аминокислотного состава тромбоцитов.