10．LSPR传感器技术的商业化 ......................................................................................................... 23 11．LSPR传感器的未来发展趋势 ..................................................................................................... 24 12．总结 ................................................................................................................................................ 25 参考文献 ................................................................................................................................................ 26 致 谢 .................................................................................................................................................... 31
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一、简介
近年来，纳米材料由于其独特的光学、电磁学和力学特性而得到了研究人员的广泛关注。贵金属纳米粒子显示了很强的紫外-可见光吸收带特性，绝大多数金属中都没有这种性质[1-8]。科学研究表明，贵金属纳米粒子悬浮液的这种特有性质取决于它们同光的强烈作用，而对纳米粒子光学领域的研究又使得对于材料的成分，尺寸，形状，以及局部绝缘环境和金属悬浮液的测色等等之间的关系有了更深层次的理解。对贵金属纳米粒子的光学性质的研究在理论和实践上都具有重要的意义。从理论上说，它对于系统研究纳米量级结构和引起光学性质变化的局部环境因素，以及预测结构的变化等起到了十分重要的作用。从实践上说，如果纳米结构的光学性质可调试，则它可以应用于表面增强光谱[9-13]，光学滤波器
[14,15]
，等离子体设备[16-19]和传感器等领域。
目前局域表面等离子体共振(LSPR)的形成以及它载体上的金和银纳米粒子的光学特性都具有很大的吸引力[20,21]。金和银纳米粒子在各种纳米光学的应用，如生物芯片[22-25]，以及纳米尺度[26]方面都得到了广泛的重视和研究。被测溶液和固定在衬底表面的粒子之间的反应能够引起的生物分子层厚度的变化，而基于LSPR的检测方法就能够对这种即时变化进行检测[27,28]。我们知道，纳米粒子，如金和银，在可见光区域有强吸收作用，这就是通常所说的LSPR吸收。这种LSPR现象发生时，入射光子频率同金属纳米粒子或金属岛传导电子的整体振动相匹配。纳米量级的粒子在紫外-可见光区域表现出独特的光学响应[29,30]，它们的吸光率随着光子能量的减少呈指数衰减（被称为Mie散射），在这个区域会出现LSPR带，对于粒子材料来说，它是叠加而成的。研究显示，表面等离子体能量和强度对粒子结构和周围环境媒介等很多因素敏感[31-36]。贵金属纳米粒子由于其独特的光学特性，即它们有在普通金属的光谱中不存在的强烈等离子体共振光谱吸收带
[37]
，同时，基于LSPR的设备还能够与简单光学系统同时建立，这也使得对贵金
属纳米粒子基于LSPR派生的各种传感器的技术研究十分热门。
由于纳米材料与生物高分子、蛋白质、核酸等在尺寸大小上具有相同的量级，所以在生物医学领域，基于LSPR的各种传感器技术的研究和优化的工作也在进行之中。生物领域中的药物研究、生物传感、细胞标记、定点诊断、分子动力学研究以及载体治疗等方面的应用，都是以生物分子和纳米材料之间的相互作用为
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基础的。LSPR纳米传感器在检测生物分子方面应用很广泛[22,38,39]。生物传感技术被应用于大蛋白和抗体的检测。以通过NSL技术（纳米球光刻术）制得的银纳米粒子为例，当增加被吸附物层的密度和厚度时，会产生连续波长的红移。纳米粒子表面的分子的大小和密度决定波长的移动响应，表面结合的配体和溶液中的目标分子共同决定系统的检测能力。因为系统显示没有非特异性结合[22]，所以整个反应归因于分子间的配对选择。LSPR纳米传感器的性能优化可通过调整纳米粒子的大小和形状实现[32,40]。理论计算表明，纳米粒子角上的电磁场强度放大区域[40]以及整个可调传感区域，与环绕在纳米粒子周围的平均感生电磁场有关[32]。于是，随着进一步的研究成果，我们可以将纳米传感器应用于相关生物系统中来进行诊断操作，如老年痴呆症的诊断。
基于LSPR技术的无标记光学生物传感器在继承了很多传统SPR传感器的优良特性的基础上，实时无标记监测分子动力学相互作用的能力也得到了进一步的发展。这种生物传感器容易制造，使用方便，只需要紫外-可见光分光计或者平板扫描仪辅助。值得注意的是，无标记光学生物传感器在基于阵列的形式下，能够方便并多元化实现高度检测生物分子之间的相互作用。
二、LSPR定义
LSPR现象是仅限于金属纳米粒子（有时被当作金属簇）和金属纳米结构中的传导电子共振现象[41-45]。它发生在金属纳米结构中，如纳米粒子，纳米三角形
[46]
，纳米岛[42]等。当光子跟金属纳米粒子中的传导电子振动相匹配时，就会产
生LSPR现象。用入射波长能够激发共振的电场激励LSPR，会产生强光散射，出现强表面等离子体吸收带，同时局部电磁场增强。纳米粒子在紫外光区域表现出唯一的光学响应[30]，吸光率随着光能的减少呈指数衰减（Mie理论），出现LSPR带。表面等离子吸收带的频率、最大吸收波长和强度高度取决于材料的化学成分（金，银，铂等贵金属），纳米粒子的尺寸，分布和纳米结构形状，以及它们周围的环境[31,32,36,47]。LSPR器件制作十分容易，它不需要特殊的系统结构，如衰减全反射（ATR）光学或波导耦合器件，它可以通过利用NSL等技术达到很高的小型化程度。这些性能使基于LSPR的传感器得到了高度的关注。
当入射光子频率与金属纳米粒子中的自由电子的集体振动发生共振时，会产生LSPR现象。最简单的纳米粒子光学响应模型是Mie理论，它描述长波长段球形
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金属颗粒的消光量。具体形式如下[37]：
其中，E(λ)为消光量， 即吸收和散射光量的总和；NA是纳米粒子的局部密度；a是金属纳米球体的半径；εm是金属纳米球体周围介质的介电常数（假设为正实数，且与波长不相关）；λ是入射光波长，εi是金属纳米球体介电常数的虚部；εr是金属纳米球体介电常数的实部。容易看出，当分母中的共振项(εr+2εm)2接近零时， 即达到了LSPR的共振条件。
从这个最原始的模型中可以看出，掩埋于周围介电环境中的金属纳米球体颗粒的LSPR光谱特性取决于以下几个方面：纳米粒子的半径a、纳米粒子材料（εi和εr）以及纳米粒子周围介质的介电常数εm。进一步研究表明，在实际情况中，即纳米粒子不是球体时，吸收光谱将取决于纳米粒子的直径、高度和形状。在这种情况下，分母中的共振项应写作
其中χ是形状因子项[11]，用来描述纳米粒子形貌比例。5:1的纳米粒子形貌比率所对应的χ的值从2（对于球体来说）最大可增加至17。此外，很多样品为沉积在衬底表面的纳米粒子集合。因此，LSPR还取决于粒子间距和表面绝缘常数。
LSPR消光导致波长的选择性吸收并伴有极大的摩尔消光系数，大概~3×1011L/(M·cm)[48]，效率相当于106个荧光分子[51]产生的共振瑞利散射[49,50]，以及在纳米粒子表面增强的局部电磁场，这是在所有表面增强光谱中观测到强烈信号的原因，如表面增强拉曼散射(SERS)和表面增强荧光[31,32]。
由式(1)还可以看出，贵金属纳米粒子的最大消光位置高度取决于周围环境的电介质性质，并且纳米粒子最大消光波长的移动能够被用于检测纳米粒子周围由分子引起的变化。因此，至少有4种不同的基于纳米粒子的传感机理，它们均取决于LSPR消光变化或者LSPR λmax散射强度变化。这些机理分别是：(1)来自类似于荧光染料标记的纳米粒子标记中的共振瑞利散射[39,50,51,52-57]，(2)纳米粒子聚合[58-63]，(3)纳米粒子表面电荷转移的相互作用[46,64-68]，(4)局部折射率变化[22,28,32,38,46,69-75]。
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三、LSPR与SPR的区别
多项研究表明，基于LSPR的纳米传感器的传导机理与平面传感器的传导机理一致，是SPR传感器的拓展和延续。在近20年来，SPR传感器，利用折射率的原理来探测接合在金属表面[76]上或其附近的分析物，并且被广泛的用于检测一系列的分析物的表面接合相互作用，包括小分子的吸收[77, 79, 80]，配体受体结合[77,
81-83]
，蛋白质在自组装单层膜上面的吸收[84-86]，抗体抗原结合[87]，DNA和RNA
杂交[88-91]以及蛋白质DNA的相互作用[92]。
就SPR技术来说，它有三个明显的缺点：(1)SPR的共振角和共振波长的移动检测模式需要大量的光学阵列来实现[87,93,94]；(2)局限于一些平方微米量级的信号传感元的尺寸,特别典型的是10μm×10μm [95]；(3)实时性不强。
比较SPR和LSPR传感器，它们非常明显的区别是折射率的灵敏度和特征电磁场的衰变波长。由于SPR传感器具有大折射率灵敏度(≈2×106nm/RIU)[79]，所以，SPR响应经常通过单位折射率的变化来体现。LSPR纳米传感器，从另一方面上说，折射率灵敏度则逊色一些(≈2×102nm/RIU)[46]。可以看出LSPR纳米传感器在这方面上比SPR传感器低了4个量级，表面上SPR传感器在灵敏度上要比LSPR传感器高10,000倍，但事实并不如此。就现阶段应用研究中所需要的灵敏度来说，两个传感器都可以很好的满足要求。特征电磁场的短的可调的衰变长度ld，可以使LSPR纳米传感器的灵敏度提高[31, 32]。LSPR纳米传感器的ld大概在5-15nm或者光波长的1-3%，并且取决于尺寸，形状，以及纳米粒子的成分；SPR传感器的衰变长度大约在200-300nm或是光的波长的15-25%的。由此可见，二者在这方面具有很大的区别[79]。SPR和LSPR的最小足纹也是不同的。在实际中，SPR传感器需要至少10×10μm2的区域进行传感实验。对于LSPR传感器，这个尺寸可以通过单一纳米粒子技术最小化为大量独立的传感元件（1010个纳米粒子在一个2mm2点位上，纳米球直径=400nm）或纳米粒子（直径约为20nm）[57]。这种纳米粒子方法能够达到和SPR传感器一样的效果，由此它的像素尺寸可以减小到100nm2以下。由于更低的折射率灵敏度，LSPR纳米传感器不需要温度控制，而SPR传感器（大折射率灵敏度）需要。另外，LSPR和SPR传感器之间最值得关注的区别就是造价。已经投入商业使用的SPR设备的造价在150,000到300,000美元之间，而处于实验阶段的便携式LSPR系统的造价则少于5,000美元。
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