局域表面等離子體共振特性與金屬納米粒子的應(yīng)用

局域表面等離子體共振特性與金屬納米粒子的應(yīng)用

lsprnas4.3網(wǎng)絡(luò)3.4重組規(guī)則1堅(jiān)持1。2Localizedsurfaceplasmonresonanceofmetalnanoparticles3ThebasicprinciplesofLSPRnanosensors4ThecommonLSPRsensorssubstrates4.1Metalcolloides4.2Metalnanorods4.3Core/shellcompositenanoparticles4.4Cap-shapedcompositenanoparticles4.5Orderedmetalnanostructurearrays5Prospects1生物傳感器技術(shù)生物傳感器在生命科學(xué)和工程中是一個(gè)很活躍的研究課題。它涉及生命科學(xué)和信息科學(xué)中多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域:生物信息學(xué)、生物芯片、生物控制論、仿生學(xué)和生物計(jì)算機(jī)。生物傳感器的研究源于20世紀(jì)60年代,1962年Clark和Lyons首次報(bào)道了基于氧電極的電化學(xué)葡萄糖氧化酶?jìng)鞲衅?而Hicks等于1966年研制出第一支葡萄糖酶電極傳感器,直至80年代,生物傳感器的研究領(lǐng)域才基本形成。根據(jù)信號(hào)換能器的不同,生物傳感器可分為生物電極傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器、光生物傳感器、熱生物傳感器和壓電晶體生物傳感器等。最近,基于貴金屬納米粒子的局域表面等離子體共振(LSPR)效應(yīng)構(gòu)建的光學(xué)生物傳感器成為一個(gè)熱點(diǎn),簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)SPR納米傳感器。LSPR是一種物理光學(xué)現(xiàn)象,是當(dāng)入射光子頻率與金屬自由電子的集體振蕩頻率發(fā)生共振時(shí)產(chǎn)生的。由于LSPR中的倏逝波是由納米顆粒的光散射產(chǎn)生的,因此,LSPR的實(shí)現(xiàn)不需要傳統(tǒng)SPR技術(shù)那樣復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng),可以通過極其簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、體積小、重量輕、成本低的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)生物傳感。同時(shí),LSPR納米傳感器保留了SPR傳感器的特點(diǎn):高靈敏度、高選擇性、實(shí)時(shí)檢測(cè)和無標(biāo)記操作等。本文介紹了貴金屬納米粒子的LSPR性質(zhì)和LSPR納米傳感器的檢測(cè)原理,歸納了常用的LSPR傳感基底并對(duì)各自的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述,最后展望了LSPR納米傳感器的發(fā)展前景。2局域表面等離子體共振金屬納米顆粒的光學(xué)性質(zhì)主要受到等離子體激元(自由電子)的影響。由于納米顆粒具有大的比表面積,自由電子的運(yùn)動(dòng)往往受到顆粒邊界的強(qiáng)烈影響,因而,其光學(xué)性質(zhì)又主要由表面自由電子的性質(zhì)來決定。許多金屬表面(如堿金屬鋁、鎂和貴金屬金、銀、銅等)的自由電子都可形象地看作電子氣,電子氣的集體激發(fā)稱作等離子體,如果激發(fā)只局限在表面區(qū)域,就叫做表面等離子體。圖1為球形金屬納米粒子的局域表面等離子體共振示意圖。當(dāng)一束光照射在球形金屬納米粒子上時(shí),振蕩電場(chǎng)使傳導(dǎo)電子一起振蕩。當(dāng)電子云相對(duì)于原子核有位移時(shí),電子和原子核間的庫(kù)侖相互作用將產(chǎn)生一個(gè)靜電回復(fù)力使電子云相對(duì)于原子核作振動(dòng)。當(dāng)入射光的頻率和金屬內(nèi)的等離子體振蕩頻率相同時(shí),就會(huì)產(chǎn)生共振,這種共振在宏觀上就表現(xiàn)為金屬納米粒子對(duì)光的吸收。其共振頻率與電子的密度、電子有效質(zhì)量、電荷分布的形狀和大小等密切相關(guān)。電子的聚集振蕩稱為粒子的偶極子等離子共振,更高模式的等離子體激發(fā)會(huì)發(fā)生。例如,四極子模式,它是一半電子云與外場(chǎng)平行運(yùn)動(dòng)而另一半則反向運(yùn)動(dòng)。最簡(jiǎn)單的球形金屬納米粒子消光光譜Ε(λ)的理論模型定義如式(1):E(λ)=24π2Na3ε3/2mλln(10)[εi(εr+χεm)2+ε2i](1)E(λ)=24π2Νa3εm3/2λln(10)[εi(εr+χεm)2+εi2](1)其中N為阿伏加德羅常數(shù),a是球的半徑,εm是外部介電常數(shù),εi和εr分別是金屬介電常數(shù)的虛部和實(shí)部。3傳感器的響應(yīng)和敏感度金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振最大吸收峰位λmax、形狀和強(qiáng)度對(duì)大小、形狀以及周圍介質(zhì)折射率非常敏感。根據(jù)測(cè)得的消光光譜或散射光譜中λmax對(duì)其周圍納米尺度范圍內(nèi)環(huán)境變化的敏感性可以用來發(fā)展高空間分辨率的生物傳感器。基于LSPR光譜的納米級(jí)生物傳感器與傳播型SPR傳感器的操作方式相似,都是將貴金屬表面附近折射率的微小變化轉(zhuǎn)換成一個(gè)可測(cè)量的波長(zhǎng)移動(dòng)響應(yīng)。LSPR和SPR傳感器的響應(yīng)(ΔRmax)可用式(2)進(jìn)行描述:ΔRmax=m(nadsorbate?nblank)[exp(?2dadsorbateld)]×[1?exp(?2dadsorbateld)](2)ΔRmax=m(nadsorbate-nblank)[exp(-2dadsorbateld)]×[1-exp(-2dadsorbateld)](2)其中m是傳感器的折射率敏感度,nadsorbate和nblank分別是待測(cè)吸附物和周圍環(huán)境的折射率,dadsorbate是吸附層的有效厚度,ld是與傳感器有關(guān)的特征電磁場(chǎng)衰減長(zhǎng)度。雖然LSPR和SPR傳感器的響應(yīng)可以通過相同的方程導(dǎo)出,但是這兩個(gè)技術(shù)的敏感度是由不同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)引起的。平面型SPR傳感器具有很大的折射率敏感度,約2×106nm/RIU,其敏感性主要起因于這個(gè)值。LSPR納米傳感器具有中等的折射率敏感度,約2×102nm/RIU。與SPR傳感器相比,LSPR納米傳感器的折射率敏感度盡管小得多,但對(duì)于一給定的吸附物它們具有相當(dāng)近似的性能。對(duì)于一個(gè)相同的傳感系統(tǒng),電磁場(chǎng)衰減長(zhǎng)度ld是兩者另一個(gè)不同的重要參數(shù)。SPR傳感器的衰減長(zhǎng)度約200nm,而對(duì)于LSPR納米傳感器,研究者已測(cè)得了更短的電磁場(chǎng)衰減長(zhǎng)度(6nm),這將使LSPR納米傳感器具有巨大的敏感度。4一般lpsr傳感器基礎(chǔ)4.1金納米粒子表面等離子體共振波場(chǎng)的研究膠體納米粒子特別是金、銀溶膠是最常用的LSPR傳感基底,它們制備簡(jiǎn)便、易表征且具有強(qiáng)的等離子體共振吸收帶,水溶液中類球形金和銀納米粒子的特征LSPR峰分別位于520nm和400nm附近,對(duì)粒子大小、形狀、間距和周圍介質(zhì)折射率的變化較敏感。利用這一特性,金屬膠體LSPR傳感已被成功地應(yīng)用于免疫分析和DNA檢測(cè)等方面。Ghosh等研究了溶劑和配合體對(duì)溶液中金納米粒子的LSPR的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):金納米粒子的表面等離子體吸收最大值位于520—550nm范圍內(nèi),這取決于周圍溶劑的折射率和化學(xué)性質(zhì)。此外,他們還發(fā)現(xiàn):當(dāng)使用的溶劑不具有與金納米粒子表面復(fù)合的活躍功能團(tuán)時(shí),其LSPR峰與溶劑的折射率呈線性紅移關(guān)系;而當(dāng)溶劑具有能復(fù)合在金納米粒子表面的非鍵電子時(shí),LSPR峰位和折射率呈非線性關(guān)系;更有趣的是,當(dāng)金納米粒子分散于碳直鏈長(zhǎng)度不同的酒精溶劑時(shí),每增加一個(gè)碳原子,LSPR峰將藍(lán)移3nm。Englebienne等將球形金納米粒子用于溶液相免疫測(cè)定,并能對(duì)抗體抗原相互作用時(shí)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);該小組還將膠體金顆粒用單克隆抗體修飾,研究表明其表面等離子體共振峰的紅移和形成的配體濃度成正比,并且與兩者之間相互作用的動(dòng)力學(xué)有關(guān)。Li小組以高活性、特殊形狀和不規(guī)則的金納米粒子作標(biāo)記,發(fā)展了一種簡(jiǎn)單靈敏的方法用于DNA原位探測(cè)和IgG免疫測(cè)定。最近,Endoa等發(fā)展了一種新型的LSPR光學(xué)酶生物傳感器,它是將葡萄糖氧化酶(Gox)固定到刺激響應(yīng)型水凝膠和銀納米粒子的復(fù)合材料上。其傳感機(jī)理基于水凝膠中的銀納米粒子間距隨著葡萄糖的加入而增大,導(dǎo)致LSPR帶的吸光度降低。另外,通過分解酶反應(yīng)過程中所產(chǎn)生的過氧化氫來誘導(dǎo)高聚集銀納米粒子退化,LSPR吸光度將發(fā)生不同程度的變化,這取決于葡萄糖的濃度。結(jié)果表明,該LSPR光學(xué)酶生物傳感器可精確確定葡萄糖濃度,檢測(cè)極限達(dá)到10pM,這種傳感器有可能作為一個(gè)無創(chuàng)傷性葡萄糖傳感器用于測(cè)定人體血糖濃度,而不需使用血液樣本。膠體納米粒子也可通過固定在基片上用于“芯片”表面?zhèn)鞲小reuzer等在化學(xué)硅烷化改性的基片表面吸附金膠體,研究了高親合力系統(tǒng)(生物素/抗生蛋白鏈菌素和抗原/抗體)的生物結(jié)合,該LSPR生物傳感器能對(duì)感興趣的分析物進(jìn)行快速定量測(cè)定,并顯示出良好的可重復(fù)性,達(dá)到無創(chuàng)傷血糖檢測(cè)的目的。Frederix等利用一含巰基的硅烷有機(jī)吸附層將金或銀納米粒子共價(jià)固定在石英玻片上,再將抗體連接到金屬納米粒子上,通過光吸收的變化來監(jiān)測(cè)抗原識(shí)別。結(jié)果表明:不僅納米粒子的等離子體共振吸光度受到了吸附分子介電性質(zhì)的影響,且?guī)чg吸收峰也發(fā)生了改變。4.2.5復(fù)合吸收光譜金屬納米棒就是指縱軸與橫軸的長(zhǎng)度比為2—20的納米材料,由于其結(jié)構(gòu)的高度不對(duì)稱性,在長(zhǎng)軸方向與短軸方向會(huì)顯示不同的等離子體共振帶,且縱向吸收對(duì)顆粒的形狀、尺寸以及環(huán)境因素等的響應(yīng)相當(dāng)靈敏,可用于傳感分析。例如,棒狀金納米粒子的橫向等離子體共振峰(通常在520nm處)與球形粒子的等離子體帶相一致;縱向等離子體共振峰(通常大于600nm)能方便地通過改變棒的長(zhǎng)徑比在800—1300nm加以調(diào)諧。Yu等利用種子生長(zhǎng)法制備了不同長(zhǎng)徑比的金納米棒(GNRs),長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)度/寬度)為2.1、4.5和6.5的一系列GNRs(標(biāo)注為GNR1、GNR2和GNR3),分別用不同識(shí)別分子將其表面功能化形成金納米棒分子探針并分散在一個(gè)單一的溶液中,如圖2a所示。它們?cè)谌芤褐幸蚤L(zhǎng)徑比不同的GNRs分散液進(jìn)行多元生物傳感,該溶液產(chǎn)生了一個(gè)復(fù)合吸收光譜,由3個(gè)明顯的縱向LSPR峰組成,每一個(gè)峰對(duì)應(yīng)于GNRs3種類型中的一種(圖2b)?？v向吸收峰按能量的減少排列,為GNR1>GNR2>GNR3。之后將與GNRs上不同識(shí)別分子互補(bǔ)的3種目標(biāo)物(山羊抗人IgG1、兔抗鼠IgG1和兔抗羊IgG(H+L))加入到溶液中形成黏合物,從而引起一個(gè)或多個(gè)縱向吸收峰的選擇性紅移。例如,當(dāng)目標(biāo)物1(與GNR1上的受體互補(bǔ))被添加到溶液中時(shí),觀察到GNR1的縱向吸收峰與GNR2和GNR3的峰相比,發(fā)生了較小的紅移(圖2b);當(dāng)加入兩個(gè)目標(biāo)物時(shí),則有兩個(gè)峰發(fā)生紅移(圖2c);當(dāng)它們對(duì)應(yīng)的目標(biāo)物都加入到溶液中時(shí),3個(gè)峰均發(fā)生了一定程度的紅移(圖2d)。他們首次證明了具有獨(dú)特光學(xué)特性的金納米棒可用于開發(fā)簡(jiǎn)便和靈敏的實(shí)驗(yàn)試管生物傳感器,可用于多元生物目標(biāo)物的檢測(cè)。研究表明:觀察到的光信號(hào)歸因于單個(gè)棒對(duì)目標(biāo)連接物的響應(yīng),而不是由于粒子聚集現(xiàn)象引起的。Chen等從實(shí)驗(yàn)和模型計(jì)算上都證明了金納米棒的縱向表面等離子體共振峰用于生物分子傳感的可行性。該傳感器由平均縱橫比為5.2的金納米棒構(gòu)成,結(jié)果表明:縱向LSPRλmax與目標(biāo)生物分子的濃度成線性關(guān)系,其折射率敏感度(366nm/RIU)比球形金納米粒子(76.4nm/RIU)的更高,且隨縱橫比的增大而增大。Mayer等基于金納米棒的局域表面等離子共振特性發(fā)展了一種無標(biāo)記免疫測(cè)定方法,可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物分子間的動(dòng)力學(xué)相互作用,采用了與表面等離子共振技術(shù)檢測(cè)相類似的方法。4.3復(fù)合納米粒子核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納米粒子通常是由一個(gè)電介質(zhì)核和一個(gè)納米金屬殼構(gòu)成,其光學(xué)性質(zhì)能夠通過改變復(fù)合納米粒子的大小和核/殼的相對(duì)尺寸而進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)控,可實(shí)現(xiàn)LSPR光譜在數(shù)百納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)變化,從可見至近紅外區(qū)域。利用這一特性,核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納米粒子在生物傳感器方面具有廣泛的應(yīng)用前景。Tam等研究了幾何參數(shù)如何調(diào)控SiO2核/Au殼復(fù)合納米粒子的等離子體共振波長(zhǎng)對(duì)介質(zhì)環(huán)境的敏感度。結(jié)果發(fā)現(xiàn):等離子體共振頻率隨變化的包埋介質(zhì)折射率而位移的量主要取決于納米粒子的總尺寸,而較小程度上取決于核/殼比值。對(duì)核/殼比值不變的納米殼球體,等離子體共振敏感度隨著顆粒總尺寸的增長(zhǎng)而急劇增大。他們將納米殼固定在玻璃襯底上時(shí)發(fā)現(xiàn):等離子體共振位移量下降了25%,而利用該結(jié)構(gòu)獲得了高達(dá)Δλ/Δn=555.4nm/RIU的折射率敏感度。Sun等采用銀納米粒子為模板進(jìn)行置換反應(yīng)合成了空心金納米殼。與大小相近的金膠體相比,這些金納米殼的等離子體共振吸收峰紅移較大。另外,即使和更小的金膠體相比,金納米殼的表面等離子體共振對(duì)環(huán)境的變化具有更為敏感的響應(yīng)。Wang等將金納米殼自組裝在經(jīng)3-氨丙基三甲氧基硅烷表面改性的透明玻片上形成自組裝單層膜,并將該基底成功應(yīng)用于稀血液中監(jiān)測(cè)生物分子的相互作用。通過改變核和殼層的相對(duì)尺寸比,金納米殼自組裝膜的LSPR帶可以調(diào)節(jié)在近紅外光波長(zhǎng)范圍內(nèi)(700—1200nm),它是人體組織和血液的最佳透過波段而不會(huì)被吸收,從而可有效避免由于血液對(duì)光吸收而產(chǎn)生的干擾。Halas研究小組設(shè)計(jì)和制備了一種新型的扁長(zhǎng)形復(fù)合納米粒子(稻米狀Fe2O3核/Au殼納米粒子)。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)結(jié)合了納米棒的強(qiáng)局域場(chǎng)和納米殼高度可調(diào)的等離子體共振特性,具有比納米棒或納米殼大得多的結(jié)構(gòu)可調(diào)諧性,并伴隨著更大的局域場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)。作為L(zhǎng)SPR納米傳感器,比已報(bào)道的任何介電/金屬納米結(jié)構(gòu)具有更高的折射率敏感度(800nm/RIU)。4.4復(fù)合納米粒子的傳感檢測(cè)對(duì)稱性降低的電介質(zhì)/金屬核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合納米粒子如帽狀、杯狀、月牙狀等由于其自身特殊的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)光的響應(yīng)更為敏感。Takei以在石英片表面上任意吸附一致密的聚苯乙烯微球單層膜為模板,然后利用物理蒸發(fā)鍍膜技術(shù)在模板上沉積金薄膜制備了帽狀金納米粒子。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用且納米粒子的大小和形狀易控制,這是因?yàn)镻S球直徑和蒸發(fā)材料的厚度決定粒子大小,而核帽尺寸比決定其形狀。吸收光譜測(cè)量表明通過改變帽狀金納米粒子的大小和形狀,可實(shí)現(xiàn)其光學(xué)性質(zhì)可調(diào)的特性;也可通過改變吸附的PS球的表面密度和在同一塊基片上吸附兩種粒徑的微球的方法進(jìn)一步調(diào)節(jié)其光學(xué)性質(zhì),利用該方法制備的納米粒子在光過濾器、光譜學(xué)、光生物傳感器等許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。該小組以帽狀結(jié)構(gòu)110nmPS/20nmAu復(fù)合納米粒子為傳感基底,其消光峰位于548nm且具有大的消光系數(shù)(2.4)和較窄的半高寬(109nm),實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)樣品的消光峰位置線性地依賴于環(huán)境的折射率。此外,他們不僅成功探測(cè)了十八烷基硫醇鹽單分子層的形成,也對(duì)生物素/抗生素黏附物成功進(jìn)行了檢測(cè)。這種具有亞單層靈敏度的簡(jiǎn)單新穎裝置有望發(fā)展成為價(jià)格低廉的光學(xué)生物傳感器用于大規(guī)模平行檢測(cè)。最近,Cao等將羧甲基右旋糖苷改性的帽狀金納米粒子作為抗生物素蛋白D傳感平臺(tái),檢出極限和靈敏度分別達(dá)到5.0nmol·L-1和3.4×10-3nm·L·nmol-1,這是基于其表面束縛的抗生物素蛋白分子。此外,通過維生素H和抗生蛋白鏈菌素之間的特定相互作用成功將具有六次序列AGGTCA連接點(diǎn)的雙鏈DNA(用于連接核受體和維甲素X受體β)固定在金表面,并應(yīng)用于小分子核配合體如9-順維甲酸的選擇性識(shí)別。圖3是基于帽狀金納米粒子的LSPR測(cè)量系統(tǒng)的的示意圖:(a)光照射和收集;(b)生物分子連接前后的LSPR光譜比較;(c)生物分子結(jié)合在帽狀金納米粒子上的過程。該光學(xué)傳感系統(tǒng)與商業(yè)化SPR傳感設(shè)備相比較,具有良好的重復(fù)性、選擇性和穩(wěn)定性。4.5角形銀納米粒子的傳感檢測(cè)有序金屬納米結(jié)構(gòu)陣列可通過納米球平版印刷術(shù)和模板合成法來制備。以單分散的聚苯乙烯或二氧化硅納米粒子二維單層膜作模板,在納米粒子之間的間隙填充金屬納米顆粒,隨后將納米粒子溶解掉,就在基片表面上沉積了一層高度有序的金屬納米結(jié)構(gòu)陣列。VanDuyne小組利用納米球平版印刷術(shù)制備了大小、形狀、粒子間隔可控以及周期性排列的金屬納米結(jié)構(gòu)陣列,它是利用電子束沉積技術(shù)在六角密排單層陣列聚苯乙烯納米球模板上沉積金屬薄膜(金、銀、銅和鋁等),再經(jīng)超聲分離將模板去除即得三角形金屬納米粒子,如圖4所示。他們還發(fā)展了一種能操縱納米粒子的尺寸、形狀和間距的新方法(角分辨NSL技術(shù),提供了一種整體平行的、非連續(xù)的納米粒子制備方法)。利用該技術(shù),他們有效地減小了納米粒子的面內(nèi)寬度,這一重要結(jié)果表明制備尺寸大小能精密控制的納米粒子是可以實(shí)現(xiàn)的。三角形銀納米粒子具有顯著的光學(xué)特性,尤其是它們的表面等離子體共振光譜的λmax對(duì)納米粒子大小、形狀和局域(10—30nm)外部電介質(zhì)環(huán)境出乎意料地敏感。利用LSPRλmax對(duì)納米環(huán)境的敏感性能夠開發(fā)一種新的納米級(jí)親合生物傳感器。該小組利用三角形銀納米粒子的λmax的移動(dòng)不僅能對(duì)伴刀豆球蛋白A、四聚體蛋白、抗生蛋白鏈菌素、免疫球蛋白和抗生物素進(jìn)行定量檢測(cè),還能對(duì)它們的結(jié)合常數(shù)進(jìn)行熱力學(xué)評(píng)價(jià),如圖5所示。例如,在Ag納米粒子的表面改性形成生物素銀納米生物傳感器以及與抗生蛋白鏈菌素特定結(jié)合的每一過程中所測(cè)得的LSPR光譜中λmax的位置有所不同,分別為:(1)未經(jīng)化學(xué)修飾的Ag納米粒子,λmax=561.4nm;(2)1mM1∶3的11-MUA∶1-OT修飾的Ag納米粒子,λmax=598.6nm;(3)1mM生物素修飾的Ag納米粒子,λmax=609.6nm;(4)100nm抗生素蛋白鏈菌素修飾的Ag納米粒子,λmax=636.6nm,所有消光光譜測(cè)量均在氮?dú)猸h(huán)境下收集。這些波長(zhǎng)移動(dòng)是由吸附物誘導(dǎo)的局域折射率變化和納米粒子表面的電荷轉(zhuǎn)移相互作用的競(jìng)爭(zhēng)引起的。此外,三角形銀納米粒子(寬約90nm,高約50nm)的LSPR光譜的最大消光波長(zhǎng)λmax的移動(dòng)還被用于探測(cè)表面限定的抗原、生物素(B)和液相抗體、抗生素(AB)之