【正文】 的紫外 可見 光 吸收帶 特性 ，絕大多數(shù)金屬中都沒有這種性質(zhì) [18]。對 貴 金屬納米粒子的光學(xué)性質(zhì)的研究在理論和實踐上都具有重要的意義。從實踐上說， 如果 納米結(jié)構(gòu) 的 光學(xué)性質(zhì)可調(diào)試，則它可以應(yīng)用于表面增強(qiáng)光譜 [913]，光學(xué)濾波器[14,15]，等離子體設(shè)備 [1619]和 傳感器等領(lǐng)域。 金和銀納米粒子在各種納米光學(xué)的應(yīng)用 ，如生物芯片 [2225]，以及納米尺度 [26]方面都得到了廣泛的 重視 和研究。 我們 知道，納米粒子，如金和銀，在可見 光 區(qū)域有強(qiáng)吸收作用，這 就是 通常 所說的 LSPR吸收。納米量級的粒子在紫外 可見 光 區(qū)域表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)響應(yīng) [29,30]，它們的吸光率隨著光子能量的減少 呈指數(shù)衰減 （被稱為 Mie散射） ，在 這個區(qū)域會出現(xiàn) LSPR帶，對于粒子材料 來說 ， 它 是 疊加而成的 。 貴 金屬納米粒子由于其獨(dú)特的光學(xué)特性，即 它們有 在普通金屬的光譜 中 不存在的強(qiáng)烈等離子體共振光譜吸收帶[37]，同時， 基于 LSPR的設(shè)備 還 能夠 與 簡單光學(xué)系統(tǒng)同時建立，這也使得對 貴 金屬納米粒子基 于 LSPR派生的各種傳感器的技術(shù)研究十分熱門。 生物領(lǐng)域中的 藥物研究 、生物傳感、細(xì)胞標(biāo)記、定點(diǎn)診斷、分子動力學(xué)研究以及載體治療等方面的應(yīng)用，都是以生物分子和納米材料之間的相互作用為 2 基礎(chǔ)的。生物傳感技術(shù)被應(yīng)用于大蛋白和抗體的檢測。 納米粒子表面的分子的大小和密度決定 波長的移動響應(yīng)， 表面結(jié)合的配體和溶液中的目標(biāo)分子共同決定 系統(tǒng) 的 檢測 能力 。 LSPR納米傳感器 的性能 優(yōu)化 可 通 過 調(diào)整納米粒子的大小和形狀 實現(xiàn) [32,40]。于是，隨著進(jìn)一步的研究成果， 我們可以將納米傳感器應(yīng)用于相關(guān) 生物 系統(tǒng)中來進(jìn)行診斷操 作， 如老年癡呆癥的診斷。 這種生物傳感器容易制造，使用方便， 只 需要紫外 可見 光 分光計或者 平 板 掃描儀輔助。 二、 LSPR 定義 LSPR現(xiàn)象是 僅限于金屬納米粒子（有時被 當(dāng)作 金屬簇 ）和金屬納米結(jié)構(gòu)中的 傳導(dǎo) 電子 共振現(xiàn)象 [4145]。當(dāng)光子跟金屬納米粒子中的傳導(dǎo)電子 振 動 相 匹配時， 就 會產(chǎn)生 LSPR現(xiàn)象。納米粒子在紫外光區(qū)域表現(xiàn)出唯一的光學(xué)響應(yīng) [30]， 吸光率 隨 著 光能的 減少呈 指數(shù) 衰減 （ Mie理論） ，出現(xiàn) LSPR帶 。 LSPR器件 制作十分 容易，它不需要特殊的 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) ，如衰減全反射（ ATR）光學(xué)或波導(dǎo)耦合器件，它可以通過 利用 NSL等 技術(shù)達(dá)到很高的小型化程度。 當(dāng)入射光子頻率與金屬納米粒子中的自由電子的集體振動發(fā)生共振時，會產(chǎn)生 LSPR現(xiàn)象 。具體形式如下 [37]： 其中， E(λ)為消光量， 即吸收和散射 光量 的總和； NA是納米粒子的局部密度； a是金屬納米球體的半徑； εm是金屬納米球體周圍介質(zhì)的介電常數(shù)（假設(shè) 為正實數(shù)，且與波長不相關(guān)）； λ是入射光波長， εi是金屬納米球體介電常數(shù)的虛部；εr是金屬納米球體介電常數(shù)的實部。 從這個最原始的模型中可以看出，掩埋于 周圍 介電環(huán)境中的金屬納米球體顆粒的 LSPR光譜特性取決于以下幾個方面：納米粒子的半徑 a、納米粒子材料（ εi和 εr）以及納米粒子周圍介質(zhì)的介電常數(shù) εm。在這種情況下，分母中的共振項應(yīng)寫 作 其中 χ是形狀因子項 [11]，用來描述納米粒子形貌比例。 此外，很多樣品為沉積在襯底表面的納米粒子集合。 LSPR消光導(dǎo)致波長的選擇性吸收并伴有極大的摩爾消光系數(shù) ，大概~31011L/(M 由 式 (1)還可以看出，貴金屬納米粒子的最大 消光 位置高度取決于周圍環(huán)境的電介質(zhì)性質(zhì)，并且納米粒子最大消光波長的移動能夠被用于檢測納米粒子周圍由分子引起的變化。這些機(jī)理分別是 ： (1)來自類似于熒光染料標(biāo)記的納米粒子標(biāo)記中的共振瑞利散射 [39,50,51,5257]， (2)納米粒子聚合 [5863]， (3)納米粒子表面電荷轉(zhuǎn)移的相互作用 [46,6468]， (4)局部折射率變化 [22,28,32,38,46,6975]。在近 20年來， SPR傳感器，利用折射率的原理來探測接合在金屬表面 [76]上或其附近的分析物，并且被廣泛的用于檢測一系列的分析物的 表面接合相互作用，包括小分子的吸收 [77, 79, 80]，配體受體結(jié)合 [77, 8183]，蛋白質(zhì)在自組裝單層膜上面的吸收 [8486]，抗體抗原 結(jié)合 [87]， DNA和 RNA雜交 [8891]以及蛋白質(zhì) DNA的相互作用 [92]。 比較 SPR和 LSPR傳 感器，它 們非常明顯的區(qū)別是折射率的靈敏度和特征電磁場的衰變波長 。 LSPR納米傳感器，從 另一方面上說，折射率靈敏度則遜色一些 (≈2102nm/RIU)[46]。 就現(xiàn)階段應(yīng)用研究中所需要的靈敏度來說，兩個傳感器 都可以很好的滿足要求 。 LSPR納米傳感器的 ld大概在 515nm或者光波長的 13%，并且取決于尺寸，形狀，以及納米粒子的成分； SPR傳感器 的 衰變長度 大約在 200300nm或是光的波長的 1525%的 。 SPR和 LSPR的最小 足紋 也是不同的。對于 LSPR傳感 器 ，這個 尺寸可以通過單一納米粒子技術(shù) 最小化為 大量獨(dú)立的傳感元件（ 1010個納米粒子在一個 2mm2點(diǎn)位上，納米球直徑 =400nm） 或納米粒子（直徑 約 為 20nm） [57]。由于更低的折射率靈敏度， LSPR納米 傳感器不需要溫度控制，而 SPR傳感器（大折射率靈敏度）需要。 已經(jīng)投入商業(yè)使用的 SPR設(shè)備的造價 在 150,000到 300,000美元之間，而處于實驗 階段的便攜式 LSPR系統(tǒng)的造價 則少于 5,000美元。 LSPR技術(shù)可以 制作出 體積小、系統(tǒng)設(shè)置簡單的生物傳感器，較傳統(tǒng)的 SPR生物傳感器 有很大的差別 。 它們 的全響應(yīng) 都 能夠通過如下等式來描述 [79]： 這里 Δλmax是波長移位響應(yīng)， m是折射率靈敏度， Δn是折射率由 吸收 引起的折射率 變化量， d是有效吸收層的厚度， ld是特征電磁場的衰變長度。 當(dāng)用于 LSPR納米傳感器的時候，這個指數(shù)方程 不僅 近似于吸收物層的響應(yīng)，還對它的響應(yīng) 在數(shù)值上 作了 詳細(xì) 的 解釋 [31,32]。 為了清晰的說明 ， 列表總結(jié) LSPR技術(shù)與 SPR技術(shù)的比較如 下（表 1） ： 表 1 LSPR傳感器與 SPR傳感器的比較 特性 SPR LSPR 無標(biāo)記檢測 可以 [78,80,89,100] 可以 [22,38,46,57] 距離影響 ~1000nm[79] ~30nm（尺寸可調(diào)） [31,32] 折射率靈敏度 2106nm/RIU[77,79,81,97] 2102nm/RIU[31,46] 模式 角位差 [94]，波長差，成像 消光 [22]，散射 [39, 57]，成像 [39, 57] 溫控要求 需要 不需要 化學(xué)識別 SPRRaman LSPRSERS 場移植 不可以 可以 商業(yè)應(yīng)用 開始 尚未 造價 $150,000$300,000 $5,000（多 粒子）， $50,000（單粒子） 空間分辨率 ~1010μm[95,101] 1 個納米粒子 [39, 57,96] 非特定約束 最?。ㄈQ于表面化學(xué)成分和清洗） [77,97,98,100,102] 最?。ㄈQ于表面化學(xué)成分和清洗） [22] 實時測量 時間范圍 =101103s，平面擴(kuò)散 [77,80,98,99,103] 時間范 圍 =101103s，幅射擴(kuò)散[57] 多 通道 能力 可以 [93,104] 可以并有研發(fā)潛力 小分子靈敏性 好 [77] 更好 [31] 6 微流體兼容性 有 有研發(fā)潛力 四、 DDA 算法 離散偶極近似 算法 (DDA)是近年發(fā)展起來的 一種 數(shù)值方法， 原則上 對 任意形狀及尺寸的納米顆粒的吸收、散射及消光等光學(xué)特性進(jìn)行計算 。 為計算任意大小及形狀的納米顆粒的 光學(xué) 性質(zhì)， DDA算 法首先將該顆粒視為N個 立方單元構(gòu)成的集合體， 再把 每個立方單元 視為電偶極子來處理 [105]。解此 3N復(fù)線性方程可求得極化矢量 ， 從而 消光系數(shù) (包括吸收與散射兩部分 )可由以下方程求得 [106]： 以螺旋 銀 納米結(jié)構(gòu)為例， 通過 DDA 計算，我們可以發(fā)現(xiàn) 這種 結(jié)構(gòu)可以很好的實現(xiàn)等離子體峰調(diào)制和電場分布排列。即使不改變結(jié)構(gòu)，通過把入射光從左旋圓偏振改變?yōu)橛倚龍A偏振，等離子體峰也能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)。所以，對于傳感和分析 領(lǐng)域 來說， 通過 使用 不同的入射偏振，我們可以從空間上斷定 被分析物在螺旋中的位置。 在實際中 ， 它 可以 在亞微米量級內(nèi)判定被分析物的空間分布 情況 。 Thorlabs LDC500 laser diode controller。 Thorlabs TCLDM9 laser mount) ，一個斬波器 (Stanford Research SR540)，一個光纖耦合器，一條傳感光纖，一個 樣液 池 (10mL)，一個光接收器(Thorlabs PDA55)，一個鎖相放大器 (Stanford Research SR830)。 在 達(dá)到平衡后， 在 容器中 放入特定量的對氧磷 ， 60 秒后 會 產(chǎn)生 一個新的穩(wěn)定響應(yīng) ， 它們之間的反應(yīng) 可 在 2到 4 分鐘內(nèi)測量。這個系統(tǒng)由 一個 激光器 (Hitachi HL6320G laser diode, 635nm, 10mW。 Thorlabs TEC2021 temperature controller。圖 2的放大部 表示 沒有覆蓋的光纖穿過 一個 1/16英寸 的 PEEKTM聯(lián)合 管套筒。高壓室的溫度通過循環(huán)水浴 (Wisdom, model LC06)保持誤差 在177。溫度測量的精確度在177。 (Sensotec, model AG300)。 每個測量至少重復(fù) 5次 。 9 圖 2 高壓條件下基于反射的光纖傳感系統(tǒng)示意圖 6． LSPR 傳感器的構(gòu)造 目前出現(xiàn)的各種新型的，把生物識別反應(yīng)轉(zhuǎn)換成放大的光 電 信號 的 設(shè)備的 基礎(chǔ)是納米金和銀粒子所產(chǎn)生的局域表面等離子體共振光譜及其電學(xué)性質(zhì)。 圖 3 放大了的金屬簇光學(xué)生物傳感器組成 圖 4 所示的是基于電光調(diào)制的 LSPR 生物傳感器 ，左上 圖 為該生物傳感器的 實物 照片，右上 圖 為該生物傳感器的截面示意圖。 10 這種生物傳感器由一對電極， 鈦擴(kuò)散的波導(dǎo)， 以及 涂覆 了 人血清白蛋白 (HSA)的金納米粒子 的傳感區(qū)域組成。 圖 4 基于電光調(diào)制的 LSPR 生物傳感器的設(shè)備結(jié)構(gòu) 7． LSPR 傳感器 制作 工藝 基于電光調(diào)制的 LSPR 生物傳感器的制作 1020 176。 利用 光刻和熱蒸發(fā) 技術(shù)制成 300nm 厚的 帶有電極的 鋁 膜 ， 電極間距 分別 為 40， 60 和 80μm，對 應(yīng)波導(dǎo)寬度 分別 是 20, 40 和 60μm。 向 沸騰的 HAuCl4 溶液中 加 入 檸檬酸鈉 即可 制取 金納米粒子 ，粒子 直徑的 平 均值 是 ， 標(biāo)準(zhǔn)差 是 。 金納米粒 子通過光刻和旋涂 選擇性沉積 在表面上 。完整的 LSPR 生物傳感器如圖 4 所示。 11 在玻璃表面固定金納米棒 80176。在用 水沖洗 干凈后， 把 載 玻 片 放在 1:1 的甲醇 /鹽酸溶液中 ， 超聲波降解 30 分鐘后 ， 再一次 用 大量水沖洗 ，然后 使用乙醇沖洗 。C 下 進(jìn)行 烘干 ，烘干過程大概需要 12 小時 。將這些經(jīng)過處理的載玻片 在 乙醇中 徹底清洗并再一次使用 超聲波降解 （每一個 載玻片 持續(xù) 5 分鐘 ） 。C，烘干過程 持續(xù) 3 小時 [69,109,110]。懸浮液均勻分布在三個管中并在 4500rpm 下進(jìn)行 30 分鐘離心（ Beckman 模式 J2121離心機(jī) ，配有 旋轉(zhuǎn)器） ，過 濾掉 一半懸浮物 。 接下來，將 每 個 試管 中的 納米棒 懸浮液再次稀釋至 30mL 并 懸浮 ， 再 一次 離心。 金納米線表面結(jié)合自組裝分子 金納米線陣列芯片 的制作 在硅 基板上 旋涂 濃度為 %的 聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)溶液， 膜厚約50nm，在 150176。使用原子力顯微鏡 (AFM)(SmenaHV, NTMDT, Russia)進(jìn)行 納米壓印 ，力學(xué)常數(shù)為 40N/m，探針針尖直徑約 20nm (NSC15, MikroMasch, Russia)。蒸鍍時，要 先蒸鍍 厚度約 為1nm的 鈦 層 ，再蒸鍍 厚度 為 20nm的金 層 。最后， 可以 得到線寬小于 100nm金納米線陣列，流程示意圖如圖 5所示 。 最 后 ， 在空氣中用加熱板 在 100176。 利用 NSL 技術(shù) 制作 Ag 納米微粒 納米球光刻術(shù) (NSL)是一種納米加工制造技術(shù)。利用這種技術(shù)合成面寬約為100nm，高為 500nm 的 Ag納米三角形微粒，并采用 LSPR 光譜測量法測量微粒的光學(xué)特性。 為制備生物傳 感用 LSPR 納米傳感器，首先用自組裝單層膜使 Ag 納米三角形微粒具備吸附功能；其次利用零長度耦合試劑將生物素共價連接吸附到羧基上。 13