超快激光烧蚀纳米颗粒与纳米结构在表面增强拉曼散射传感应用中的研究

激光烧蚀与液体技术致力于通过在液体或气体环境中烧蚀目标材料来合成纳米颗粒和纳米结构，从而无需任何表面活性剂即可制备环境友好的纳米颗粒。该研究领域包括优化激光参数、分析纳米颗粒特性、探索合成机理，以及发掘其在催化、传感、电子、能量存储和生物医学成像等多个领域的应用。近年来，激光烧蚀在纳米材料制备方面的进展主要集中在调控纳米颗粒的尺寸、形貌和组成，发展可扩展的制备方法，合成杂化纳米材料，以及实现表面功能化。

这些进展提供了更高的稳定性、更长的保质期、高达每小时数克的高可扩展性，以及适用于多种应用的、具有商业可行性的胶体纳米颗粒和表面纳米结构的制备。近年来，已实施多种其他改进技术，如超快光束烧蚀和涡旋光束烧蚀工艺，用于生成具有可调形状、尺寸和形貌的奇异纳米结构及纳米颗粒。推动通过超快激光烧蚀合成纳米颗粒的技术包括：用于理解纳米颗粒形成机制的分子动力学模拟、用于精确调控纳米颗粒尺寸、形状和组成的C-2透射电子显微镜（TEM）表征技术，以及实时监测技术。

实验中涉及的挑战包括通过改进仪器和技术实现自动化，解决激光烧蚀技术本身初始建立成本高的问题，确保适当的样品制备，控制污染，以及改进数据分析与解释方法，以提高结果的准确性和可靠性。在本实验室中，我们研究了多种材料，如金、银、锌、钛、铜、硅、砷化镓、锗、拉诺克萨尼德（rafoxanide）、阿菲尼（aphnea）以及各种双金属、三金属和等离子体单核苷酸。激光烧蚀实验在不同环境中进行，采用多种聚焦条件，以实现精确的材料加工和纳米颗粒合成。

首先，选择目标材料及周围液体。使用丙酮对目标表面进行15分钟的超声清洗，以去除油类、油脂和石蜡等有机物。随后用乙醇进行超声清洗15分钟，以去除盐类和糖类等极性污染物，然后使用去离子水对表面进行清洗，并进行15分钟的超声处理，以去除样品表面残留的溶剂或污染物。

在消融前测量样品的重量，然后对样品进行激光消融实验。消融实验结束后再次测量样品的重量。通过比较消融前后样品的重量，估算实验过程中去除的材料量。

接下来，将输入激光功率调整至约150毫瓦，用于银靶的皮秒激光烧蚀。结合使用偏振器和半波片来调节激光脉冲能量。使用聚焦透镜将激光束聚焦到样品表面，以烧蚀材料表面。

在观察产生的明亮等离子体及发出的爆裂声的同时，使用Z方向的平移台手动调节激光在样品上的焦点。接下来，根据所需获得不同的消融深度以及更好地控制纳米颗粒和纳米结构的合成，采用聚焦光学元件将激光束聚焦到样品上。将样品置于连接至ESP控制器的XY平移台上，确保其移动方向与激光传播方向垂直。

调整扫描速度和激光加工区域，以优化与样品相互作用的激光脉冲数量。在激光烧蚀过程中，通过扫描样品同时进行激光图案化，以获得目标尺寸并防止单点烧蚀。接下来，针对液体中的激光烧蚀，开展激光烧蚀实验。

监测激光功率及其他设置以保持一致性。在实验过程中持续观察目标材料，确保激光束始终聚焦于目标区域。银胶体纳米颗粒的吸收光谱显示，在不同激光波长下，表面等离子体共振峰分别出现在 420、394 和 403 纳米处。

不同组成的银/金合金纳米颗粒的归一化吸收光谱显示，随着金含量从0增加到100%，表面等离子体共振峰从410纳米移动至519纳米。