Investigating the effect of metallic nanoparticles presence on signal intensity for dried-droplet analysis by laser-induced plasma spectroscopy

Abstract

While solid sample analysis by LIBS is more easy and straightforward, liquid analysis is more troubling. One of the studies aimed at removing the problems in liquid analysis is the Nanoparticle Enhanced LIBS technique. This study aims to investigate the effect of the presence of Ag nanoparticles of different shape and absorption wavelengths on the signal strength of heavy metals Pb and Cr. For that purpose, spherical, prism, and disc-shaped silver nanoparticles with an absorption wavelength in the range of 394-761 nm were used. Among all types of NPs with different sizes and shapes, silver nanoparticles with an absorption maximum at 535 nm were found to enhance LIBS signal intensity of Pb element at 405.8 nm 5-6 times, and that of Cr at 428.9 nm 3-3.5 times. Under optimized conditions, a LOD value of 1,16 and 0.69 ppb were obtained for Pb and Cr, respectively. The applicability of the system for the determination of Pb and Cr in aqueous environments has also been tested on reference water samples. The silver nanoparticle with an maximum absorbance wavelength of 535 nm shows the most improvement in signal. The wavelength of the laser used is very close to the absorbance wavelength of the silver nanoparticle, effectively overlapping it. Thanks to the transmitted laser light, plasmons are formed on the nanoparticle surface. These formed surface plasmons interact with the laser electromagnetic field, resulting in an increase in the signal.

LIBS tekniği ile her ne kadar katı maddenin analizi rahat ve kolay olsada sıvı örneklerle çalışılırken bazı problemler ortaya çıkmaktadır. Sıvı analizlerinde yaşanan bu problemleri kaldırmaya yönelik çalışmalardan biri nanoparçacık ile güçlendirilmiş LIBS tekniğidir. Bu çalışmanın amacı Pb ve Cr ağır metali içeren solüsyonların LIBS ile analizinde farklı dalga boylarında absorbansa ve farklı şekillere sahip gümüş metal nanoparçacık varlığının LIBS sinyal şiddetine etkisinin araştırılmasıdır. Bu amaçla küresel, prizma ve disk şeklinde ve absorbans dalga boyları 394 ile 761 nm arasında değişen gümüş nanoparçacıklar kullanılmıştır. Şekilleri ve dalgaboyları farklı olan tüm gümüş nanoparçacıklar içerisinde 535 nm'de maximum absorbansa sahip prizma şekilli gümüş nanoparçacık Pb LIBS sinyallerinde 5-6 kat oranında, Cr LIBS sinyallerinde ise 3-3,5 kat oranında iyileşme sağlayarak en yüksek iyileştirmeyi sağlayan gümüş nanoparçacık olmuştur. Optimize edimiş koşullar altında Pb tespit limiti 1.16 ppb, Cr tespit limiti ise 0.69 ppb bulunmştur. Ayrıca yöntemin kullanılabirliği için referans su örnekleri ile çalışmalar gerçekleştirilmiştir. 535 nm'de maximum absorbans dalga boyuna sahip gümüş nanoparçacık, sinyalde en fazla gelişmeyi gösterrmiştir. Kullanılan lazerin dalga boyu ile gümüş nanoparçacığın absorbans dalga boyu birbirine çok yakındır ve güçlü bir şekilde birbirleri ile etkinleşirler. İletilen lazer ışığı sayesinde nanoparçacık yüzeyinde plazmonlar oluşur. Oluşan bu yüzey plazmonları lazer elektromanyetik alanı ile etkileşerek sinyalde bir artışa neden olur.