金属纳米粒子LSPR效应的机理及其光谱特征研究【文献综述】

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理论物理

金属纳米粒子LSPR效应的机理及其光谱特征研究LSPR的定义

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。它发生在金属纳米结构中，如纳米粒子，纳米三角形，纳米岛等。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。

LSPR的研究历史

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。

但是就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；(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；(3)实时性不强。

为了提高SPR生物传感器的灵敏度，近年来，基于纳米材料制成的生物传感芯片受到研究者广泛的关注。金属纳米粒子或不连续的金属纳米结构中存在局域表面等离子体，当其受到入射光激发时，会引起局域表面等离子体共振(LSPR)，该金属纳米结构表面的局域电场被增强，对某一波段的光谱展现出强烈的吸收。金、银、铂等贵金属纳米粒子具有很强的LSPR效应，它们在紫外一可见光波段展现出很强的光谱吸收。LSPR效应是纳米贵金属颗粒表面电磁场增强的结果，这是平面金膜所不具备的

由于LSPR在这些方面优于SPR,所以LSPR取代了SPR。

LSPR的现状

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。金和银纳米粒子在各种纳米光学的应用，如生物芯片，以及纳米尺度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。

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，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。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，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。

LSPR的发展动向和趋势。

金、银、铂等贵金属纳米粒子均具有很强的局域表面等离子体共振效应，它们在紫外一可见光波段展现出很强的光谱吸收,该吸收光谱峰值处的吸收波长取决于该材料的微观结构特性。例如组成、形状、大小、局域传导率。从而获得局域表面等离子体共振光谱，并对其进行分析，可以研究纳米粒子的微观组成，同时还可以作为化学传感器和生物传感器，运用光学来检测生化分子相互反应的参数。这种技术在光电子器件、传感技术、生命科学等领域具有重要的理论价值和广泛的应用前景。

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基础的。LSPR纳米传感器在检测生物分子方面应用很广泛。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，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。理论计算表明，纳米粒子角上的电磁场强度放大区域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。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。

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