局域表面等离子体共振特性与金属纳米粒子的应用

局域表面等离子体共振特性与金属纳米粒子的应用

lsprnas4.3网络3.4重组规则1坚持1。2Localizedsurfaceplasmonresonanceofmetalnanoparticles3ThebasicprinciplesofLSPRnanosensors4ThecommonLSPRsensorssubstrates4.1Metalcolloides4.2Metalnanorods4.3Core/shellcompositenanoparticles4.4Cap-shapedcompositenanoparticles4.5Orderedmetalnanostructurearrays5Prospects1生物传感器技术生物传感器在生命科学和工程中是一个很活跃的研究课题。它涉及生命科学和信息科学中多个学科领域:生物信息学、生物芯片、生物控制论、仿生学和生物计算机。生物传感器的研究源于20世纪60年代,1962年Clark和Lyons首次报道了基于氧电极的电化学葡萄糖氧化酶传感器,而Hicks等于1966年研制出第一支葡萄糖酶电极传感器,直至80年代,生物传感器的研究领域才基本形成。根据信号换能器的不同,生物传感器可分为生物电极传感器、半导体生物传感器、光生物传感器、热生物传感器和压电晶体生物传感器等。最近,基于贵金属纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)效应构建的光学生物传感器成为一个热点,简称为LSPR纳米传感器。LSPR是一种物理光学现象,是当入射光子频率与金属自由电子的集体振荡频率发生共振时产生的。由于LSPR中的倏逝波是由纳米颗粒的光散射产生的,因此,LSPR的实现不需要传统SPR技术那样复杂的光学系统,可以通过极其简单、坚固、体积小、重量轻、成本低的设备来实现生物传感。同时,LSPR纳米传感器保留了SPR传感器的特点:高灵敏度、高选择性、实时检测和无标记操作等。本文介绍了贵金属纳米粒子的LSPR性质和LSPR纳米传感器的检测原理,归纳了常用的LSPR传感基底并对各自的最新进展进行了综述,最后展望了LSPR纳米传感器的发展前景。2局域表面等离子体共振金属纳米颗粒的光学性质主要受到等离子体激元(自由电子)的影响。由于纳米颗粒具有大的比表面积,自由电子的运动往往受到颗粒边界的强烈影响,因而,其光学性质又主要由表面自由电子的性质来决定。许多金属表面(如碱金属铝、镁和贵金属金、银、铜等)的自由电子都可形象地看作电子气,电子气的集体激发称作等离子体,如果激发只局限在表面区域,就叫做表面等离子体。图1为球形金属纳米粒子的局域表面等离子体共振示意图。当一束光照射在球形金属纳米粒子上时,振荡电场使传导电子一起振荡。当电子云相对于原子核有位移时,电子和原子核间的库仑相互作用将产生一个静电回复力使电子云相对于原子核作振动。当入射光的频率和金属内的等离子体振荡频率相同时,就会产生共振,这种共振在宏观上就表现为金属纳米粒子对光的吸收。其共振频率与电子的密度、电子有效质量、电荷分布的形状和大小等密切相关。电子的聚集振荡称为粒子的偶极子等离子共振,更高模式的等离子体激发会发生。例如,四极子模式,它是一半电子云与外场平行运动而另一半则反向运动。最简单的球形金属纳米粒子消光光谱Ε(λ)的理论模型定义如式(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为阿伏加德罗常数,a是球的半径,εm是外部介电常数,εi和εr分别是金属介电常数的虚部和实部。3传感器的响应和敏感度金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振最大吸收峰位λmax、形状和强度对大小、形状以及周围介质折射率非常敏感。根据测得的消光光谱或散射光谱中λmax对其周围纳米尺度范围内环境变化的敏感性可以用来发展高空间分辨率的生物传感器。基于LSPR光谱的纳米级生物传感器与传播型SPR传感器的操作方式相似,都是将贵金属表面附近折射率的微小变化转换成一个可测量的波长移动响应。LSPR和SPR传感器的响应(ΔRmax)可用式(2)进行描述:ΔRmax=m(nadsorbate−nblank)[exp(−2dadsorbateld)]×[1−exp(−2dadsorbateld)](2)ΔRmax=m(nadsorbate-nblank)[exp(-2dadsorbateld)]×[1-exp(-2dadsorbateld)](2)其中m是传感器的折射率敏感度,nadsorbate和nblank分别是待测吸附物和周围环境的折射率,dadsorbate是吸附层的有效厚度,ld是与传感器有关的特征电磁场衰减长度。虽然LSPR和SPR传感器的响应可以通过相同的方程导出,但是这两个技术的敏感度是由不同的实验参数引起的。平面型SPR传感器具有很大的折射率敏感度,约2×106nm/RIU,其敏感性主要起因于这个值。LSPR纳米传感器具有中等的折射率敏感度,约2×102nm/RIU。与SPR传感器相比,LSPR纳米传感器的折射率敏感度尽管小得多,但对于一给定的吸附物它们具有相当近似的性能。对于一个相同的传感系统,电磁场衰减长度ld是两者另一个不同的重要参数。SPR传感器的衰减长度约200nm,而对于LSPR纳米传感器,研究者已测得了更短的电磁场衰减长度(6nm),这将使LSPR纳米传感器具有巨大的敏感度。4一般lpsr传感器基础4.1金纳米粒子表面等离子体共振波场的研究胶体纳米粒子特别是金、银溶胶是最常用的LSPR传感基底,它们制备简便、易表征且具有强的等离子体共振吸收带,水溶液中类球形金和银纳米粒子的特征LSPR峰分别位于520nm和400nm附近,对粒子大小、形状、间距和周围介质折射率的变化较敏感。利用这一特性,金属胶体LSPR传感已被成功地应用于免疫分析和DNA检测等方面。Ghosh等研究了溶剂和配合体对溶液中金纳米粒子的LSPR的影响。结果发现:金纳米粒子的表面等离子体吸收最大值位于520—550nm范围内,这取决于周围溶剂的折射率和化学性质。此外,他们还发现:当使用的溶剂不具有与金纳米粒子表面复合的活跃功能团时,其LSPR峰与溶剂的折射率呈线性红移关系;而当溶剂具有能复合在金纳米粒子表面的非键电子时,LSPR峰位和折射率呈非线性关系;更有趣的是,当金纳米粒子分散于碳直链长度不同的酒精溶剂时,每增加一个碳原子,LSPR峰将蓝移3nm。Englebienne等将球形金纳米粒子用于溶液相免疫测定,并能对抗体抗原相互作用时的动力学进行实时监测;该小组还将胶体金颗粒用单克隆抗体修饰,研究表明其表面等离子体共振峰的红移和形成的配体浓度成正比,并且与两者之间相互作用的动力学有关。Li小组以高活性、特殊形状和不规则的金纳米粒子作标记,发展了一种简单灵敏的方法用于DNA原位探测和IgG免疫测定。最近,Endoa等发展了一种新型的LSPR光学酶生物传感器,它是将葡萄糖氧化酶(Gox)固定到刺激响应型水凝胶和银纳米粒子的复合材料上。其传感机理基于水凝胶中的银纳米粒子间距随着葡萄糖的加入而增大,导致LSPR带的吸光度降低。另外,通过分解酶反应过程中所产生的过氧化氢来诱导高聚集银纳米粒子退化,LSPR吸光度将发生不同程度的变化,这取决于葡萄糖的浓度。结果表明,该LSPR光学酶生物传感器可精确确定葡萄糖浓度,检测极限达到10pM,这种传感器有可能作为一个无创伤性葡萄糖传感器用于测定人体血糖浓度,而不需使用血液样本。胶体纳米粒子也可通过固定在基片上用于“芯片”表面传感。Kreuzer等在化学硅烷化改性的基片表面吸附金胶体,研究了高亲合力系统(生物素/抗生蛋白链菌素和抗原/抗体)的生物结合,该LSPR生物传感器能对感兴趣的分析物进行快速定量测定,并显示出良好的可重复性,达到无创伤血糖检测的目的。Frederix等利用一含巯基的硅烷有机吸附层将金或银纳米粒子共价固定在石英玻片上,再将抗体连接到金属纳米粒子上,通过光吸收的变化来监测抗原识别。结果表明:不仅纳米粒子的等离子体共振吸光度受到了吸附分子介电性质的影响,且带间吸收峰也发生了改变。4.2.5复合吸收光谱金属纳米棒就是指纵轴与横轴的长度比为2—20的纳米材料,由于其结构的高度不对称性,在长轴方向与短轴方向会显示不同的等离子体共振带,且纵向吸收对颗粒的形状、尺寸以及环境因素等的响应相当灵敏,可用于传感分析。例如,棒状金纳米粒子的横向等离子体共振峰(通常在520nm处)与球形粒子的等离子体带相一致;纵向等离子体共振峰(通常大于600nm)能方便地通过改变棒的长径比在800—1300nm加以调谐。Yu等利用种子生长法制备了不同长径比的金纳米棒(GNRs),长径比(长度/宽度)为2.1、4.5和6.5的一系列GNRs(标注为GNR1、GNR2和GNR3),分别用不同识别分子将其表面功能化形成金纳米棒分子探针并分散在一个单一的溶液中,如图2a所示。它们在溶液中以长径比不同的GNRs分散液进行多元生物传感,该溶液产生了一个复合吸收光谱,由3个明显的纵向LSPR峰组成,每一个峰对应于GNRs3种类型中的一种(图2b)。纵向吸收峰按能量的减少排列,为GNR1>GNR2>GNR3。之后将与GNRs上不同识别分子互补的3种目标物(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,从而引起一个或多个纵向吸收峰的选择性红移。例如,当目标物1(与GNR1上的受体互补)被添加到溶液中时,观察到GNR1的纵向吸收峰与GNR2和GNR3的峰相比,发生了较小的红移(图2b);当加入两个目标物时,则有两个峰发生红移(图2c);当它们对应的目标物都加入到溶液中时,3个峰均发生了一定程度的红移(图2d)。他们首次证明了具有独特光学特性的金纳米棒可用于开发简便和灵敏的实验试管生物传感器,可用于多元生物目标物的检测。研究表明:观察到的光信号归因于单个棒对目标连接物的响应,而不是由于粒子聚集现象引起的。Chen等从实验和模型计算上都证明了金纳米棒的纵向表面等离子体共振峰用于生物分子传感的可行性。该传感器由平均纵横比为5.2的金纳米棒构成,结果表明:纵向LSPRλmax与目标生物分子的浓度成线性关系,其折射率敏感度(366nm/RIU)比球形金纳米粒子(76.4nm/RIU)的更高,且随纵横比的增大而增大。Mayer等基于金纳米棒的局域表面等离子共振特性发展了一种无标记免疫测定方法,可实时监测生物分子间的动力学相互作用,采用了与表面等离子共振技术检测相类似的方法。4.3复合纳米粒子核壳结构复合纳米粒子通常是由一个电介质核和一个纳米金属壳构成,其光学性质能够通过改变复合纳米粒子的大小和核/壳的相对尺寸而进行设计和调控,可实现LSPR光谱在数百纳米波长范围内变化,从可见至近红外区域。利用这一特性,核壳结构复合纳米粒子在生物传感器方面具有广泛的应用前景。Tam等研究了几何参数如何调控SiO2核/Au壳复合纳米粒子的等离子体共振波长对介质环境的敏感度。结果发现:等离子体共振频率随变化的包埋介质折射率而位移的量主要取决于纳米粒子的总尺寸,而较小程度上取决于核/壳比值。对核/壳比值不变的纳米壳球体,等离子体共振敏感度随着颗粒总尺寸的增长而急剧增大。他们将纳米壳固定在玻璃衬底上时发现:等离子体共振位移量下降了25%,而利用该结构获得了高达Δλ/Δn=555.4nm/RIU的折射率敏感度。Sun等采用银纳米粒子为模板进行置换反应合成了空心金纳米壳。与大小相近的金胶体相比,这些金纳米壳的等离子体共振吸收峰红移较大。另外,即使和更小的金胶体相比,金纳米壳的表面等离子体共振对环境的变化具有更为敏感的响应。Wang等将金纳米壳自组装在经3-氨丙基三甲氧基硅烷表面改性的透明玻片上形成自组装单层膜,并将该基底成功应用于稀血液中监测生物分子的相互作用。通过改变核和壳层的相对尺寸比,金纳米壳自组装膜的LSPR带可以调节在近红外光波长范围内(700—1200nm),它是人体组织和血液的最佳透过波段而不会被吸收,从而可有效避免由于血液对光吸收而产生的干扰。Halas研究小组设计和制备了一种新型的扁长形复合纳米粒子(稻米状Fe2O3核/Au壳纳米粒子)。这种独特的结构结合了纳米棒的强局域场和纳米壳高度可调的等离子体共振特性,具有比纳米棒或纳米壳大得多的结构可调谐性,并伴随着更大的局域场强度增强。作为LSPR纳米传感器,比已报道的任何介电/金属纳米结构具有更高的折射率敏感度(800nm/RIU)。4.4复合纳米粒子的传感检测对称性降低的电介质/金属核壳结构复合纳米粒子如帽状、杯状、月牙状等由于其自身特殊的几何结构对光的响应更为敏感。Takei以在石英片表面上任意吸附一致密的聚苯乙烯微球单层膜为模板,然后利用物理蒸发镀膜技术在模板上沉积金薄膜制备了帽状金纳米粒子。该方法简单实用且纳米粒子的大小和形状易控制,这是因为PS球直径和蒸发材料的厚度决定粒子大小,而核帽尺寸比决定其形状。吸收光谱测量表明通过改变帽状金纳米粒子的大小和形状,可实现其光学性质可调的特性;也可通过改变吸附的PS球的表面密度和在同一块基片上吸附两种粒径的微球的方法进一步调节其光学性质,利用该方法制备的纳米粒子在光过滤器、光谱学、光生物传感器等许多领域有着广泛的应用前景。该小组以帽状结构110nmPS/20nmAu复合纳米粒子为传感基底,其消光峰位于548nm且具有大的消光系数(2.4)和较窄的半高宽(109nm),实验结果发现样品的消光峰位置线性地依赖于环境的折射率。此外,他们不仅成功探测了十八烷基硫醇盐单分子层的形成,也对生物素/抗生素黏附物成功进行了检测。这种具有亚单层灵敏度的简单新颖装置有望发展成为价格低廉的光学生物传感器用于大规模平行检测。最近,Cao等将羧甲基右旋糖苷改性的帽状金纳米粒子作为抗生物素蛋白D传感平台,检出极限和灵敏度分别达到5.0nmol·L-1和3.4×10-3nm·L·nmol-1,这是基于其表面束缚的抗生物素蛋白分子。此外,通过维生素H和抗生蛋白链菌素之间的特定相互作用成功将具有六次序列AGGTCA连接点的双链DNA(用于连接核受体和维甲素X受体β)固定在金表面,并应用于小分子核配合体如9-顺维甲酸的选择性识别。图3是基于帽状金纳米粒子的LSPR测量系统的的示意图:(a)光照射和收集;(b)生物分子连接前后的LSPR光谱比较;(c)生物分子结合在帽状金纳米粒子上的过程。该光学传感系统与商业化SPR传感设备相比较,具有良好的重复性、选择性和稳定性。4.5角形银纳米粒子的传感检测有序金属纳米结构阵列可通过纳米球平版印刷术和模板合成法来制备。以单分散的聚苯乙烯或二氧化硅纳米粒子二维单层膜作模板,在纳米粒子之间的间隙填充金属纳米颗粒,随后将纳米粒子溶解掉,就在基片表面上沉积了一层高度有序的金属纳米结构阵列。VanDuyne小组利用纳米球平版印刷术制备了大小、形状、粒子间隔可控以及周期性排列的金属纳米结构阵列,它是利用电子束沉积技术在六角密排单层阵列聚苯乙烯纳米球模板上沉积金属薄膜(金、银、铜和铝等),再经超声分离将模板去除即得三角形金属纳米粒子,如图4所示。他们还发展了一种能操纵纳米粒子的尺寸、形状和间距的新方法(角分辨NSL技术,提供了一种整体平行的、非连续的纳米粒子制备方法)。利用该技术,他们有效地减小了纳米粒子的面内宽度,这一重要结果表明制备尺寸大小能精密控制的纳米粒子是可以实现的。三角形银纳米粒子具有显著的光学特性,尤其是它们的表面等离子体共振光谱的λmax对纳米粒子大小、形状和局域(10—30nm)外部电介质环境出乎意料地敏感。利用LSPRλmax对纳米环境的敏感性能够开发一种新的纳米级亲合生物传感器。该小组利用三角形银纳米粒子的λmax的移动不仅能对伴刀豆球蛋白A、四聚体蛋白、抗生蛋白链菌素、免疫球蛋白和抗生物素进行定量检测,还能对它们的结合常数进行热力学评价,如图5所示。例如,在Ag纳米粒子的表面改性形成生物素银纳米生物传感器以及与抗生蛋白链菌素特定结合的每一过程中所测得的LSPR光谱中λmax的位置有所不同,分别为:(1)未经化学修饰的Ag纳米粒子,λmax=561.4nm;(2)1mM1∶3的11-MUA∶1-OT修饰的Ag纳米粒子,λmax=598.6nm;(3)1mM生物素修饰的Ag纳米粒子,λmax=609.6nm;(4)100nm抗生素蛋白链菌素修饰的Ag纳米粒子,λmax=636.6nm,所有消光光谱测量均在氮气环境下收集。这些波长移动是由吸附物诱导的局域折射率变化和纳米粒子表面的电荷转移相互作用的竞争引起的。此外,三角形银纳米粒子(宽约90nm,高约50nm)的LSPR光谱的最大消光波长λmax的移动还被用于探测表面限定的抗原、生物素(B)和液相抗体、抗生素(AB)之