通过可回收的、基于飞秒激光加工的表面实现超灵敏的食品和水检测

《ACS Applied Materials & Interfaces》：Ultrasensitive Food and Water Sensing by Recyclable, Femtosecond Laser-Structured Surfaces

飞秒激光加工晶体硅SERS基底实现水中微囊素-LR检测限10?? μg/L和马卡姆绿检测限10?12 M，实验与有限元模拟匹配，空气加工比真空高10倍信号强度，增强机制包括亚波长干涉腔、纳米粗糙度场局域化及金纳米粒子等离子耦合，形成梯度3D热点，证实环境依赖性关键作用。

　　

我们报道了一种通过飞秒激光加工制备可重复使用的晶体硅表面增强拉曼散射（SERS）基底，实现对食品和水中危险微量元素的超灵敏检测方法。该基底能够检测到微囊藻毒素-LR（一种水传播的藻类毒素）的浓度低至10^–7 μg/L，以及禁用的水产养殖添加剂孔雀石绿的浓度低至10^–12 M。实验结果与有限元模拟的预测非常吻合。有趣的是，在常温空气中制备的基底显示出比在真空中制备的基底高一个数量级的SERS信号强度，这表明加工条件对信号增强具有重要影响。信号增强的原因包括：（1）亚波长波纹结构导致强烈的场限制；（2）激光诱导的纳米级粗糙度通过纳米颗粒再沉积产生了额外的场局域化位点；（3）金纳米颗粒的修饰通过颗粒-基底及颗粒间的相互作用建立了混合等离子体耦合，形成了梯度分布的3D热点区域，其模拟增强因子（EF）超过10¹⁰。SERS成像显示整个检测平台上的信号均匀性很高，同时也揭示了不同表面粗糙度区域之间的信号强度差异，这些差异受加工条件调控。我们的实验结果验证了一种简单有效的利用激光制备的SERS基底进行食品安全和环境监测的方法，并强调了加工环境对其最终灵敏度的重要影响。