激光诱导金银纳米颗粒玻璃植入技术构建可重复使用的等离子体结构及其SERS应用研究

本研究针对表面增强拉曼光谱(SERS)基底制备中成本高、稳定性差和不可重复使用等问题，创新性地采用纳秒激光反向转移(LIRT)技术，在玻璃基底上稳定植入了金(Au)和银(Ag)纳米颗粒。通过调控激光能量密度(2-17 J/cm2)和脉冲数(1-10次)，成功构建了具有单层球形纳米颗粒的等离子体结构，其增强因子(EF)最高达1.7×105，并证实了该结构在铵盐和有机染料检测中的可重复使用性，为环境监测和生物传感提供了新型高效基底。

　　

在光学传感和生物检测领域，表面增强拉曼光谱(SERS)技术因其超高灵敏度已成为检测痕量物质的利器。然而，传统SERS基底面临三大痛点：贵金属纳米结构制备成本高昂、信号重现性差、以及难以重复使用——这直接限制了其在环境监测和医疗诊断中的实际应用。更棘手的是，现有技术如化学合成法往往产生不稳定的表面修饰层，而物理气相沉积又缺乏空间选择性。面对这些挑战，保加利亚科学院的研究团队独辟蹊径，将激光加工技术的精确性与等离子体纳米材料的独特光学特性相结合，开发出了一种革命性的解决方案。他们的研究成果《Laser-induced gold and silver nanoparticle implantation in glass for fabrication of plasmonic structures with multiple use》发表在《Optics》期刊上，为可循环SERS基底的制备提供了新范式。

研究团队主要运用了四项核心技术：1）纳秒激光反向转移系统（波长1064 nm，脉宽15 ns），通过玻璃侧照射金属靶材实现材料转移；2）扫描电子显微镜(SEM)结合能谱(EDX)进行纳米结构形貌与成分表征；3）X射线光电子能谱(XPS)和X射线衍射(XRD)分析化学状态与晶相；4）时域有限差分法(FDTD)模拟纳米颗粒体系的近场增强效应。

【结构表征】
通过SEM分析发现，在单脉冲3 J/cm²条件下可获得粒径20-40 nm的单层金纳米颗粒（图3a），而提高至8 J/cm²时则形成双峰分布（25 nm和100 nm）。XPS证实沉积物为纯金属态（Au4f结合能84.0 eV），XRD显示仅有Au立方相衍射峰（图5）。TEM更揭示纳米颗粒被深度植入玻璃基体（图7），这解释了其卓越的稳定性——经水洗、擦拭甚至胶带剥离测试后仍保持结构完整（图13）。

【光学性能】
透射光谱展现出典型的等离子体共振吸收谷，金纳米结构在535-610 nm区间呈现可调控的共振位移（图8）。FDTD模拟显示，785 nm激发下纳米间隙处的电场强度增强达10⁴倍（图16），且双尺寸颗粒体系能同时适配532 nm和785 nm激发（图17），这种宽谱响应特性突破了传统SERS基底对特定激光波长的依赖。

【SERS应用】
以亚甲基蓝(MB)为模型分子，金纳米结构展现出1.7×10⁵的增强因子，检测限比裸玻璃降低两个数量级（图11）。值得注意的是，边缘区域因含有更多大尺寸颗粒（图4），其SERS信号比中心区强1.7倍。更令人振奋的是，经过10次使用-清洗循环后，基底性能仍无衰减（图14），这归功于激光诱导的玻璃熔融-再固化过程实现了纳米颗粒的机械锚定。

这项研究的突破性在于：首次将LIRT技术应用于等离子体纳米结构的玻璃植入，通过精确控制激光参数实现了"一步法"制备可重复使用SERS基底。其创新机制在于：1）激光与玻璃界面处产生的瞬时高温（模拟显示达3100K，图15）引发基底局部熔融，促使金属纳米颗粒嵌入；2）多脉冲作用下的热退效应诱导薄膜分解，形成尺寸可控的单层纳米颗粒。该技术不仅解决了传统基底稳定性差的难题，其>100 mg/L的硝酸铵检测灵敏度更可直接应用于农田径流污染监测。未来通过优化激光模式（如飞秒激光）和阵列设计，有望进一步推动该技术在便携式检测设备中的集成应用。