表面增强拉曼散射(SERS)很大程度的弥补了拉曼散射强度弱的缺点, 迅速成为科研工作者们的研究热点, 在食品安全、 环境污染、 毒品以及爆炸物检测等领域应用广泛。 纳米技术的发展使得目前对于SERS的研究主要集中于金属纳米颗粒基底的制备, 金属纳米粒子的种类、 尺寸及形貌对SERS增强和吸收峰峰位均有影响, 要获得好的增强效果, 需要对金属纳米结构进行工艺优化。 特别是, 需要结合金属纳米粒子的结构和激励光波长, 以期获得更好的增强效果。 为了研究SERS增强和吸收峰之间的关系, 开展了具有双共振吸收峰的金属纳米粒子的研究。 首先利用FDTD Solutions仿真建模, 主要针对金纳米颗粒直径、 金纳米棒长径比及分布状态对共振吸收峰进行仿真, 得到金纳米球理论直径在50 nm左右, 金纳米棒理论长径比在3.5~4.5左右时, 吸收峰分别分布在532及785 nm附近, 符合多波段激励光拉曼增强条件; 对于激励光偏振方向, 其沿金纳米棒长轴方向偏振时吸收峰位于785 nm附近, 沿金纳米球短轴方向偏振时吸收峰位于532 nm附近。 然后采用种子生长法, 制备了可用于多种波长激励光的双吸收峰表面增强拉曼散射基底。 通过改变硝酸银用量(5, 10, 20, 30和40 μL)、 盐酸用量(0.1和0.2 mL)以及其生长时间(15, 17, 21和23 h)等多种工艺参数来控制金纳米棒含量, 得到了同时含有金纳米球及金纳米棒的双吸收共振峰金纳米粒子。 最后用该样品作为基底, 罗丹明6G(R6G)作为探针分子, 分别测试其在532, 633和785 nm激励光入射时的SERS表征, 对分析物R6G最低检测浓度均达到了10-7 mol·L-1, 增强因子达到了~105, 满足了多波段SERS检测的需要。

为了研究ZnO/Au复合薄膜中不同浓度的金纳米颗粒对表面增强拉曼光谱(SERS)的影响, 通过光还原反应将Au纳米颗粒沉积在ZnO薄膜上作为活性基底形成ZnO/Au 复合薄膜, 实现SERS基底的制备。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和EDS元素分析对样品进行性质表征, 发现制备的ZnO薄膜均匀密布于玻璃衬底上, 且金纳米颗粒成功地沉积在ZnO表面。利用探针式台阶仪测得ZnO薄膜的厚度为50 nm。以低浓度罗丹明B(10-9 M)作为探针分子, 改变Au纳米颗粒的浓度, 进行SERS测试。结果表明, ZnO/Au复合薄膜具有良好的拉曼增强效应, 在620 cm-1, 1355 cm-1, 1502 cm-1, 1646 cm-1等位置出现了罗丹明B的明显特征峰。对比ZnO/Au复合薄膜中不同浓度的金纳米颗粒对检测罗丹明B的SERS增强效果, 发现3 g·L-1浓度下拉曼活性增强效果最佳。

为了提高激光诱导向后转移制备微纳阵列结构的效率, 本文提出三光束激光干涉诱导向后转移(LIIBT)技术, 为激光干涉技术与激光诱导向后转移的有机结合。本文以ITO玻璃为接收衬底, 金薄膜为靶材, LIIBT过程中采用三光束激光干涉进行加工。SEM结果表明, 在激光能量密度为25 mJ/cm2, 金膜厚度为50 nm条件下, 获得了较好的阵列结构, 周期为5 μm, 金纳米粒子均匀分布在其表面, 尺寸小于100 nm的粒子达到80%以上。EDX分析结果表明微米尺度点阵由大量的In元素组成, 该结构的形成源于激光与ITO层相互作用。将1.0×10-5, 1.0×10-7和1.0×10-9M的罗丹明6G溶液, 旋涂于微结构表面并进行拉曼光谱研究, 在612 cm-1, 773 cm-1, 1 190 cm-1, 1 319 cm-1和1 511 cm-1处发现了罗丹明6G的特征峰, 说明制备的金纳米结构对微量的罗丹明6G有明显的SERS效应。本文提出的LIIBT技术将大大提高激光诱导向后转移制备微纳阵列结构的效率, 在超灵敏检测、光电子器件、微流控等领域均具有广泛的应用前景。

烟用香精香料的配方是卷烟工业中的核心技术,也是构建不同特色卷烟产品的关键之一。然而,现有的香精香料质量评价手段主要是人工嗅香和测定某些特定的物性指标,如折光指数、相对密度、酸值、挥发份总量等。在实验室科研中还有使用色谱-质谱联用等方法。但是上述手段仍存在较多问题,比如受主观意识影响,操作繁琐,前处理耗时长,费用高,灵敏度低等。基于此,本文开发了一种利用表面增强拉曼光谱技术结合主成分分析算法来快速鉴别实际生产中不同种类、不同掺兑样的烟用香精香料的方法。本文利用该方法成功获取不同种类、同一种类不同生产批次及烟用香精香料不同掺兑量样品的增强拉曼谱图。经主成分分析表明不同种类以及不同掺兑量样品的散点分布在不同区域,直接区分度高；同一种类不同生产批次的香精香料谱图类似,在散点图中较为集中；说明不同生产批次的样品以及不同掺兑量的样品都可以与其他种类的香精香料标准样品进行有效区分。本文利用表面增强拉曼光谱结合主成分分析算法对烟用香精香料进行检测的方法操作简易,检测快捷,成本低廉,结果便于分析识别,适用于烟用香精香料实际生产中的质量控制。

基于金属纳米结构而获得随机激光的增强, 其独特的性质及其潜在的应用价值具有重要的研究意义, 在表面增强荧光、 光学开关器件、 表面等离子激元激光等方面实现了较多应用。 报道一种快捷有效的制备纳米颗粒的手段并基于该纳米颗粒结构分析了染料掺杂聚合物薄膜涂覆的随机激光现象和规律。 利用离子溅射沉积和高温热处理在石英基底上制备了Au纳米颗粒, 改变溅射时间Au纳米颗粒的尺寸发生可控变化, 该方法便捷、 工艺简单。 研究采用40, 80和120 s三种不同的时间进行Au膜溅射并在650 ℃下高温处理, 得到粒径尺寸不同的Au纳米颗粒, 随着溅射时间延长Au纳米颗粒的尺寸逐渐变大。 通过涂覆有机荧光染料DCJTB掺杂的PMMA聚合物薄膜构建光致激射系统, 利用纳秒脉冲激光对样品进行激发, 得到随机激光并研究其出射光强度和阈值的变化规律特征。 40, 80和120 s三种溅射时间下所得Au纳米颗粒的平均粒径尺寸分别为230, 250和390 nm, 在532 nm激光激发下产生随机激光的阈值分别为20.5, 17.5和12.5 μJ·pulse-1。 Au纳米颗粒尺寸越大、 粒子间距越小时, 光子散射的平均自由程越短, 光在金属颗粒之间可以多次有效散射, 从而显著提高散射效率, 产生较低阈值的激光发射; Au纳米颗粒的吸收峰与染料的荧光峰恰好匹配时, 将会显著增强染料的荧光效应, 激发更多染料分子发生能级跃迁, 增加光子态密度, 获得峰值更高、 阈值更低的激射现象; 泵浦光不破坏染料分子的情况下, 可以多次循环泵浦获得激光, 染料分子的发光效率随着多次激发略有降低, 有助于随机激光器件的研究开发。 实验研究结果与理论分析相一致, 进一步明确了Au纳米颗粒对光子散射和等离子共振对光吸收增强的随机激光发射机理。 该研究以Au纳米结构对光子的强散射效应为增益, 通过理论分析和实验测量获得随机激光, 为实现高效率、 低阈值的随机激光研究提供了一种便捷的技术手段, 有望促进随机激光器件的开发和应用。

针对激光诱导击穿光谱技术（LIBS）中等离子体的发射光谱增强问题, 提出一种磁场增强LIBS与纳米颗粒增强LIBS（NELIBS）相结合的方法。 采用热蒸发法在样品表面沉积一层直径20 nm的金纳米颗粒。 利用波长为1 064 nm, 最大能量为200 mJ的Nd∶YAG脉冲激光器在室温, 一个标准大气压下对纯铜和黄铜进行诱导击穿。 调整激光能量为30~110 mJ, 分别使用传统LIBS、 磁场增强LIBS、 NELIBS以及两种方法结合对纯铜进行激光诱导击穿, 得到特征谱线(Cu Ⅰ 521.8 nm)的强度增强因子和信噪比, 并对其增强机理进行分析。 在相同环境下使用四种方式对黄铜和纯铜进行诱导击穿以探测样品中的微量元素。 当在样品表面沉淀金纳米颗粒或者将沉淀有金纳米颗粒的样品放在磁场中进行诱导击穿时, 发现纯铜样品的光谱中存在Mg元素的特征谱线Mg Ⅱ 279.569 nm, 黄铜样品的光谱中存在Si元素的特征谱线 Si Ⅰ 251.611 nm。 实验结果表明: 单独施加磁场约束或增加纳米金颗粒均可以有效增强等离子体光谱强度, 但增强效果弱于两种方法结合, 磁场约束对光谱的增强效果弱于NELIBS的增强效果。 当结合NELIBS与磁场约束LIBS时, 谱线增强因子最高可达14.3(Cu Ⅰ 521.8 nm), 相比于磁场增强LIBS和NELIBS, 最大增强因子分别提高了28%和59%。 四种情况中当激光脉冲能量逐渐增大时, 等离子体向外膨胀的强度增大, 磁场产生的洛伦兹力束缚等离子的能力相对减弱, 同时纳米金颗粒对等离子体发射光谱的增强作用被削弱, 谱线强度降低, 等离子体的增强因子逐渐减小后趋于稳定。 通过NELIBS与磁场约束LIBS结合方式, 不仅可以有效提高等离子体的发射谱线强度, 改善光谱信号信噪比, 而且传统LIBS方法中由于谱线强度低、 背景噪声大而无法探测的微量元素可以被探测到, LIBS技术对微量元素的探测能力得到显著提高, 微量元素的探测下限变得更低。 NELIBS与磁场约束LIBS结合的方法具有更高的灵敏度和准确度, 为激光诱导击穿光谱技术的谱线增强方法提供了新的思路, 在该领域具有广阔的应用前景。

目的: 利用光声层析成像技术(photoacoustic tomography, PAT)监测针灸小鼠阳陵泉穴位(GB34)、静脉注射造影剂金纳米颗粒溶液这两种方法分别施加, 以及共同施加对小鼠大脑皮层脉管系统成像的影响。方法: PAT技术能够对生物组织进行高分辨率无损成像, 反映生物组织的光吸收特性等功能信息。本项研究工作, 利用PAT技术实验获取了正常小鼠活体脑皮层随时间变化的图像, 探讨了针灸及造影剂分别作用以及共同作用下皮层脉管系统的光吸收特性的变化。结果: 三组活体实验发现在针灸及造影剂各自作用下, 皮层脉管系统的光吸收峰值增强比率分别为23.87%以及38.56%; 而在两者共同作用情况下, 其皮层脉管系统的光吸收比外源刺激前进一步增加66.75%。结论: 实验结果显示, PAT技术不但能够全程监测小鼠大脑皮层脉管系统随时间变化的光吸收信息, 而且能够诠释金纳米颗粒结合针灸两者共同作用产生的皮层光吸收增强的复合效应远大于任何一种单独作用产生的效应, 这揭示了针灸辅助造影剂方法有助于大大提高光声脑成像对比度。