激光烧蚀光纤端面原位制备可调控金纳米粒子阵列及其SERS应用研究

研究人员针对传统SERS（表面增强拉曼散射）基底难以实现原位、实时检测的难题，创新性地将聚苯乙烯（PS）微球自组装与激光烧蚀技术结合，在光纤端面原位制备出六方密排金纳米粒子（AuNPs）阵列。该结构通过磁控溅射镀金和激光调控形成中心-卫星式"热点"，对4-ATP（4-氨基苯硫酚）的检测限达10?9 M，为Lab-on-Fiber（LOF）传感器在痕量检测领域提供了新方案。

　　

在光学传感领域，金属纳米颗粒因其独特的表面等离子体共振（SPR）效应成为研究热点。当特定波长的光照射金、银等贵金属纳米颗粒时，其表面自由电子会发生集体振荡，产生局域电磁场增强现象，这种特性使其在表面增强拉曼散射（SERS）技术中具有重要价值。然而传统制备方法面临两大瓶颈：一是平面基底上的纳米颗粒难以均匀转移到曲率复杂的光纤端面；二是高温退火等工艺会破坏光纤的物理特性。这些限制使得开发能实现原位、实时检测的光纤SERS探针成为亟待突破的科学难题。

为解决这一挑战，来自中国的研究团队在《Optical Materials》发表了一项创新研究。他们巧妙地将聚苯乙烯（PS）微球自组装模板与激光烧蚀技术相结合，首次在光纤端面原位制备出六方密排结构的金纳米粒子（AuNPs）阵列。该阵列以单个大尺寸AuNP为中心，周围环绕着呈六边形排列的小颗粒，这种特殊构型能产生密集的电磁场"热点"。实验表明，基于该结构的光纤SERS传感器对4-氨基苯硫酚（4-ATP）水溶液的检测灵敏度达到10^?9 M，且具备优异的稳定性和重现性。

研究团队主要采用三项关键技术：首先通过垂直自组装法在预处理的多模光纤（芯径62.5 μm）端面形成PS微球模板；随后采用磁控溅射沉积金膜；最后通过精确调控的激光烧蚀实现AuNPs的原位生成与尺寸控制。这种"自组装+激光加工"的策略避免了传统转移工艺的缺陷，可直接在光纤上构建大面积有序纳米结构。

Morphology and structure of AuNPs
场发射扫描电镜（FESEM）显示，AuNPs阵列呈现高度有序的六方密排结构，中心AuNPs直径约120 nm，周围卫星颗粒约50 nm。能谱分析证实金元素呈周期性分布，这种特殊排布通过有限元模拟被证实可产生强烈的局域场增强效应。

SERS性能测试
以4-ATP为探针分子，在785 nm激光激发下，该传感器在1080 cm^?1处特征峰的增强因子达10⁶。通过30天稳定性测试和20次重复实验，信号强度波动小于8%，显著优于传统化学还原法制备的随机分布AuNPs基底。

这项研究的突破性在于：首次实现无需转移工艺的光纤端面AuNPs阵列原位制备，解决了传统方法难以兼顾有序性和基底适应性的矛盾。所开发的Lab-on-Fiber（LOF）传感器兼具光纤的小型化优势和纳米结构的灵敏特性，为环境监测、生物医学等领域的原位检测提供了新工具。研究还发现，通过调节PS微球尺寸和激光参数可精确控制AuNPs的排布方式，这为设计多功能等离子体器件开辟了新途径。正如bing liu等作者在结论部分强调的，该方法操作简便、成本低廉，且易于推广到其他贵金属纳米结构的制备，具有重要的产业化应用前景。