纳米纳米颗粒局域表面等离子体共振效应的研究进展

纳米纳米颗粒局域表面等离子体共振效应的研究进展

0基于生物传感器的局域表面等离子体共振检测生物传感器使用特定的生物化学技术将生物识别元素（酶、抗体、原酶、蛋白质、核酸、受体、细胞、微生物、动植物组织等）固定在变换装置上。当测量对象和生物识别元素之间存在特定反应时，通过交换装置将反应结果（由化合物或声音、光、电、热等）转换为输出和检测的信号和光信号，以便对测量对象的物质进行定性和定量分析，并达到检测和分析的目的。一种用于解决测量方法的疾病。目前,随着信息与生物工程技术的快速发展,生物传感器也相应地衍生出新的研究分支,如压电生物传感器和光生物传感器,其中光生物传感器应用了具有表面选择性的表面等离子体共振(Surfaceplasmonresonance,SPR)技术。该技术通过表面等离子体激元(Surfaceplasmonpolariton)的不同形态来增强金属表面电场的强度,并以此来改变SPR的表面选择性。作为一种SPR的替代技术,基于金属纳米颗粒表面的局域表面等离子体共振(Localizedsurfaceplasmonresonance,LSPR)技术被人们发现。本文归纳了局域表面等离子体共振效应的基本原理;详细介绍了制备金属纳米颗粒阵列和图形的不同方法及其主要性能和应用价值在讨论了生物传感器的应用后,分析了其应用和近年来在研究过程中发现的技术难题。1局域表面等离子体局域表面等离子体(Localizedsurfaceplasmons,LSPs)是存在于金属纳米颗粒或不连续的金属纳米结构中的电荷密度震荡。当贵金属纳米颗粒被入射光激发时,因内部自由电子的协同振荡而产生局域表面等离子体共振,其金属纳米结构表面的局域电磁场被极大增强,展现出强烈的表面等离子体共振吸收。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-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(如组成、形状、大小、局域传导率等)。对局域表面等离子体共振光谱进行分析可以研究纳米颗粒的微观组成,同时还可以作为生物传感器,应用光学来检测生化分子相互反应的参数。表面等离子体和局域表面等离子体都具有表面局域和近场增强等两种独特性质。需要强调的是,虽然两者都具有表面局域特性,但不同的色散关系决定了它们是两种完全不同的激发态对金属表面电介质的折射率非常敏感而LSPs的色散关系一般与其所局域的形貌密切相关。LSPs的高空间局域性导致了其在局域空间内更加显著的能量增强效应。基于局域表面等离子体的上述性质,研究人员研制出易操作、低成本的光学生物实验仪器。目前,LSPR生物传感器已广泛应用于环境保护、生物工程、食品安全等领域。2金属纳米颗粒的传感及传感性能局域表面等离子体结构的阵列化和图形化有以下两点应用:(1)形成不同尺寸与分布的平面局域结构,为多通道生物体快速检测提供途径;(2)实现不同基板上填充不同尺寸和形状的金属纳米颗粒。由于局域表面等离子体对材料表面纳米颗粒的微观结构特性十分敏感,因此控制金属纳米颗粒的形状、尺寸和组成可以对等离子体的近场电场强度分布进行调制,形成一系列“热点(Hotspot)”。这些热点对周围的介电环境十分敏感,可用于高灵敏度的生物单分子探测。因此性能优良的纳米颗粒阵列和图形对LSPR生物传感器的研究十分重要。由于金属纳米颗粒的自身局限性(如金属纳米颗粒的粒径太小,其调制过程局限于每个纳米颗粒周围的固定范围内),很难精确控制金属纳米颗粒的光学性质。为了克服上述困难,研究人员采用了多种用于制备几十纳米大小金属纳米颗粒并且能够精确控制其粒径和周期性排列的光刻技术,包括胶体化学平板印刷术、电子束光刻术、聚焦离子束光刻法、纳米球光刻术及其他一些光刻技术。2.1金属盐中稳定剂的应用胶体化学平板印刷术(Colloidallithography)也被称为化学或电化学合成法(Chemical/electrochemicalsynthesis),特别适用于制备某些特殊金属纳米颗粒,即通过在一种金属盐中加入稳定剂后进行化学反应得到。这种稳定剂可以控制颗粒的长大,同时控制其形状并能起到稳定凝胶的作用。目前有许多方法可以合成金属凝胶并能控制晶粒的形状大小,使诸如棒状、碟状、三角形和其他形状的纳米颗粒更好地调制LSPR共振峰的位置和强度。2.2子束光刻法制备纳米光学设备电子束光刻术(Electronbeamlithography,EBL)是制备单分散金属纳米颗粒的首选方法。通过该技术可以准确控制玻璃基板上颗粒的大小、形状、图案和颗粒间距。电子束光刻法应用于纳米光学设备时常用的制备流程为:(1)用电子束轰击一定厚度的PMMA抗蚀层(Ploy-methyl-methacrylate),得到事先设计好的图案;(2)用旋涂法将铟锡氧化物(ITO)涂抹在玻璃基板上,并用化学法处理抗蚀剂;(3)用真空沉淀法在表面镀上一层金属;(4)移去暴露在外面的金属层。当然EBL也存在诸多现阶段无法克服的缺点,如难以放大图案、较高的实验成本和难以一次性检测到多个显微镜载玻片以外的区域。尽管EBL是制备金属纳米颗粒的常用方法,但是由于不需要遮罩操作等优势,使得聚焦离子束光刻法成为替代的一种新型工具2.3双离子流系统聚焦离子束光刻法(Focusedionbeam,FIB)是在其顶端发射离子束的部位安装直径小于50nm的探针,并利用该探针发射聚焦离子束到规定的样品区域。FIB技术可以蚀刻基板并能通过改变束流强度来嵌入不同的材料,同时可通过纳米尺寸范围内的沉积操作来制备不同形状的三维图案。然而由于离子轰击能够引起物料损伤和材料改性,使得FIB技术的应用受到限制。为了减少损伤,研究人员采用了运用低能量离子流作为轰击束流的方法,但仍不能彻底消除损伤。最近人们研制出一种新的方法———双离子流系统,可以解决上述问题。聚焦离子束光刻法与电子束光刻术因自身缺陷而难以应用在商业生产领域,如这两种方法的成本都较高、生产率较低、难以与工程实际相结合等。2.4纳米球遮罩整理纳米球光刻术(Nanospherelithography,NSL)是一种低成本、高生产率的纳米颗粒制备技术。采用纳米球光刻术能够制备出大量不同尺寸结构的二维纳米颗粒阵列。首先,NSL是通过自组装单分子纳米球来形成一个二维的凝胶晶体沉淀遮罩。事先准备一个基板,使纳米球自由扩散其中并形成最稳定的结构。上述带有表面负电荷的纳米球需进行化学改性。这种纳米球可与带有负电荷的基板(如云母或者是经过化学处理得到的玻璃)产生静电排斥作用。当水溶液蒸发后,纳米球受到毛细管力的作用吸引在一起,同时这些纳米球晶化成六边形紧密堆积结构,并附着在基板上。在这些晶体中,纳米球遮罩包含了许多缺陷,而这些缺陷是由于纳米球多层分散、不规则分布、线缺陷和多晶化造成的。典型的无缺陷区域范围在10～100μm内。在制备好自组装纳米球遮罩后,将某种金属或其他材料通过热蒸发法、电子束沉淀法或脉冲激光沉淀法从平行源穿过纳米球遮罩沉积到基板上,并控制其附着层的厚度。在金属沉淀结束后,通过声波来降解溶液中的全部试样,以此来除去纳米球遮罩,将三角形的图案留在表面。这些图案的纳米颗粒光学性质可以在可见光范围内通过控制纳米颗粒的形状和大小来进行简单的调制。纳米球光刻术只能制备出少数几种特殊图案。一般来说,只有三角形和六边形的金属纳米颗粒可以从单分散层或双层紧密堆积纳米球中制备出来。此缺点也限制了NSL在LSPR生物传感器方面的应用。当然,将NSL与其他制备方法复合应用也是一种可行的方法。2.5分辨率图案的制作纳米压印法(Nanoimprintlithography,NIL)是由StephenY.Chou等于1995年首先报道并引起了广泛关注。此后他们采用此方法成功地制备出纳米线和10nm的光栅。NIL是一种用于较大表面积基板上的低成本、高分辨率图案的制作方法,可以制备出100nm以下的图形。其主要制备步骤为:先将模具压在基板上的抗腐蚀层,再用反应离子蚀刻法除去残留的抗腐蚀层即可。宋震国等报道了直接在模具上压印的方法该方法没有像传统那样将图案压印在PMMA上,而是将图形直接压印在金属薄膜上。他们发现颗粒的尺寸越大金属薄膜的强度越低,也就越容易在其表面进行压印。该方法大大增加了操作的简便性并且有效地降低了实验成本。相对于其他制备技术(如EBL),NIL具有高速、原料选择灵活等优势。但是除了热压印法外,在图案复制过程中残存物质的厚度较大和难以在大图案中制备小图案一直是两个难点问题。因此,人们将NIL与传统的紫外光刻法(Ultravioletphotolithography,UVlithography)相结合,应用于LSPR生物检测领域。2.6化学弹性体图案的制备软刻蚀技术(Softlithography,SL)是一种新型的高分辨率图形制备技术,也被称作纳米转换压印技术(Nanotransferprinting,nTP)。之所以取这个名字,是因为该方法将质地柔软的弹性体成分应用到图案制备中。早期的软刻蚀技术是一种类似于接触压印法的制备技术,这种压印法是用表面蘸有化学墨水的高分辨率弹性体图案,在目标基板上印上自组装单分子层(SAM)。该单分子层可以将某种材料沉积在基板上或者是移除出基板,并以此在新的材料上印出同样的图案。软刻蚀技术的优势在于它不需要大量的贵重设备和仪器就能够在表面亚微米尺寸区域上制备出多维的图形。软刻蚀技术可以在较短的时间周期内制备出较大面积的图案,并且能够作为许多成本较高的光刻技术的替代方法。同时它又可以用于制备多种不同材料,如高分子材料、生物材料、陶瓷和复合材料。2.7类非传统光刻法金属纳米颗粒阵列和图形的制备方法可分为两类。一类叫作传统光刻法,包括胶体化学平板印刷术、电子束光刻术和纳米球光刻术。这3种方法也是最常见的金属纳米颗粒图形和阵列的制备方法。另一类叫作非传统光刻法,包括聚焦离子束光刻法、纳米压印法和软刻蚀技术。而且,将不同的制备技术复合运用可以获得更广泛的应用。当然,还有其他制备方法,如软干涉印刷术(Softinterferencelithography)、斜角沉积制备技术(Obliqueangledeposition,OAD)、分子自组装法(Molecularself-assembly)、双嵌段共聚物微团纳米光刻法(Diblockcopolymermicellenanolithography)和沾笔印刷术(Dip-penlinthography)等。3有助于准确分析非舒适性局域表面等离子体共振技术在诸多领域扮演着重要角色。ElizaHutter等在2004年就已详细报道了该技术在诸多领域的应用。在生物传感器领域,LSPR生物传感器已经在固有的小尺寸和非光学测量法的非破坏性方面显示出明显的优势,因此能作为分析工具在化学定量、结合动力学表征、构象变化监测及分子鉴定方面充分发挥独特作用。综上所述,LSPR生物传感器具有与传统SPR传感器相似的高灵敏性、高选择性、实时监测和无标记操作等特点,同时还具有设备简单、制备简便、坚固、体积小、质量轻、成本低和样品用量极少等优势。与其他技术复合使用时,其应用前景更好。LSPR生物传感器已经得到了长足发展,但仍然有许多实际问题有待研究。下面总结了4个方面的内容:(1)生产和制备原因对生产质量的影响不同金属纳米颗粒图形和阵列制备技术的复合应用不仅对金属纳米颗粒的生产和制备有着显著的推动作用,而且还能够拓宽其应用范围。目前,已经有大量相关文献报道了制备技术的复合应用,但是其复合的过程仍存在许多问题,如复合技术的普遍适用性不强、复合技术本身仍存在诸多缺点。(2)纳米颗粒检测传感器的每个部分都影响着分辨率的最终大小,如金属纳米颗粒的大小、噪声比、生物传感器的固有属性。另外,改变纳米颗粒的形状也是提高传感器性能的一种很好途径。单个纳米颗粒的检测有助于提高传感器的灵敏性(通过减小等离子体的带宽),但是较低的性噪比是目前提高分辨率较难克服的一个障碍。当LSPR生物传感器分辨率能够突破3nm的检测极限时,可以将能够有效控制固体表面纳米颗粒图案和阵列的嵌段共聚物微团纳米光刻法(BCMN)应用到传感器中。(3)生物高分子材料的检测LSPR传感器是依靠周围金属颗粒的折射率变化来进行检测的,因此它的应用范围被局限在生物大分子的元素识别中,包括抗体、单链DNA等。若将LSPR与诸如SERS、激光去离子化光谱法等识别技术结合起来,将会扩大传感器的应用范围,如可以进行分析物的识别、提高检测能力,特别是对于小分子检测能力的提高有明显帮助。(4)生物传感器检测尽管相关的传感器已经在实验室里得到了成功应用,并在研究中发挥了作用,但是在商业应用上仍有很多不尽如人意的地方。例如,金属纳米颗粒图案的制备方法必须有很强的重复性并且能够很好地控制其大小和形状;同时,其颗粒必须稳定且不易降解和析出;在将生物大分子的探针靠近到纳米