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2023年6月1-3日 | 苏州国际博览中心B1-E1号馆

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等离激元生物传感器的原理、性能以及实际应用

2020-02-25

01 背景介绍

 

近期生物传感器在医学诊断、食品安全以及环境监测等领域展现出巨大的应用潜力。生物传感器是一种利用生物受体作为识别单元(能够与分析物特异性结合的分子)结合换能器(诸如电极或纳米粒子的界面)将分析物结合事件转换为可读信号的仪器。

 

基于探测的信号类型,生物传感器又可以分为:光学(比如等离激元生物传感器)、电化学、压电和磁性生物传感器。

 

等离激元生物传感器因其具有高灵敏度、高特异性,多路复用的潜力,以及低背景噪声和小体积采样等优势而成为分析型生物传感中最常用的技术之一。

 

图一. 等离激元生物传感器工作示意图

 

02 什么是等离激元?

 

等离激元学是一门研究光与金属或金属微纳结构相互作用的学科。等离激元技术结合了微纳光子学和电子学的技术,能够对化学结构或结合事件有关的光谱和折射率变化进行光学测量,并从中提取有价值的信息(如分子是否存在,分子的浓度或者确定分子的种类)。

 

等离激元学的研究依赖于局域型或传导型的表面等离激元,表面等离激元是一种存在于金属-介质界面上,由电磁波的入射振荡电场与金属中电子相互耦合而产生的电子集体振荡现象。

 

基于上述现象,我们得到了两种主要的等离激元传感技术:基于表面等离激元谐振(SPR)的生物传感技术和基于局域表面等离激元谐振(LSPR)的生物传感技术。

 

 

03 如何提升等离激元生物传感器的性能?

 

3.1选择良好的等离激元材料

 

a. 损耗

根据电磁波与金属相互作用机制的不同,金属中的损耗分为两种类型,一种是表示电阻的欧姆损耗;另一种是由电子跃迁引起的光学损耗。此外,载流子浓度也是一个需要考虑的因素。理想的等离激元材料要求较低的欧姆损耗和光学损耗,这目前还难以同时实现。石墨烯是一种不错的替代材料,但是其较低的载流子浓度限制了它的典型工作波长只能在太赫兹波段。

 

b. 化学活性

 在等离激元材料的选取方面,材料的化学活性是另一个需要重点考量的因素。是否易与氢气反应、在空气中是否易氧化等因素直接影响到材料的保存、制备与应用。此外,等离激元材料潜在的催化活性,在某些应用中也可能有价值。

 

c. 等离激元调节范围

等离激元调节范围指的是在金属界面上产生的等离激元能够与入射光发生谐振的光谱范围。除了调整材料的载流子浓度之外,调整结构的尺寸、形状以及空间分布均可以实现谐振光谱范围的改变。调节范围越广,应用前景越大。

 

3.2采用合适的等离激元结构

 

就谐振频率和电场强度而言,基底的等离激元性能不仅受材料种类的影响,而且还受基底结构的影响,例如尺寸,形状和几何形状。

 

a. 零维和一维结构

金属纳米颗粒是广泛用作等离激元基底的最简单的零维和一维结构。由于电磁场在纳米颗粒的表面产生局域表面等离激元谐振,因此它们表现出显著的电磁场增强效应。除了最常用的纳米球结构,纳米星型结构、纳米指状结构、纳米棒状结构以及核壳结构均有应用。

 

b. 二维结构

二维薄膜或二维片状结构是最常见的二维结构。它们利用传导型表面等离激元,通过将自由电子限制在金属表面附近而表现出非常独特的性能。比如,SPR生物传感器就是基于金或者银薄膜的等离激元效应实现的。其他诸如石墨烯、石墨烯氧化物以及硅纳米线等都是很有潜力的二维结构。

 

c. 三维结构

为了获得更强的电磁场增强和局域效应,人们设计并制备出更高维度的纳米结构(如三维纳米杯和三维纳米碗)。部分基于三维纳米结构的等离激元生物传感器显示出更高的灵敏度。

 

图二. 几种等离激元结构的扫描电镜图

 

3.3基底功能化

 

由于信号增强的性质取决于等离激元结构附近的电场,因此信号强度对样品与基底之间的距离非常敏感。因此,仔细设计基底的表面化学特性对于检测目标分析物非常重要。 根据基底是否利用生物识别单元,可以将其分为两大类:功能化的和非功能化的。功能化的基底使用分子相互作用进行特异性检测(例如抗体,适体或其他用于专门附着至目标分析物的小分子),并且分析物与生物识别单元的结合将导致检测信号的变化。目前主要有三种主流的功能化类型,分别为基于抗体基于适体基于分子模板的。

 

 

3.4选择恰当的检测方法

 

基于检测方法的不同,等离激元生物传感器可分为三种类型:基于SPR的生物传感器、基于LSPR的生物传感器以及基于光致发光的生物传感器。

 

图三.SPR 和LSPR机制示意图

 

a. 表面等离激元谐振SPR

SPR生物传感器是基于生物分子在识别并形成复合物的过程中,引起界面折射率变化与一定波长的入射光在界面形成的反射光衰减程度存在直接的相关性的原理而研制的一种传感器类型。作为一种无需标记的检测方法,SPR生物传感因其可避免使用特定的标记或染料而得到广泛应用。

 

b. 局域表面等离激元谐振LSPR

与基于金属膜的传统SPR传感器不同,LSPR通常在金属纳米颗粒或纳米结构上产生,这些颗粒或结构会产生衰减长度更短的局域电磁场。这种局域性增强了金属微纳颗粒纳米尺度范围内的电场,并且这种LSPR对分子结合十分敏感,尤其是对于一些小型的生物分子。

 

(i) 吸收/透射

利用光与等离激元材料的其他类型的相互作用(例如吸收和透射)也可以提供有关样品的信息。

 

(ii) 表面增强拉曼光谱/尖端增强拉曼光谱SERS /TERS

LSPR分析物检测的另一种方法是使用拉曼光谱法,该方法基于入射光与化学键的振动相互作用时的非弹性散射。SERS利用等离激元结构,例如金属纳米颗粒和其他纳米结构来增强拉曼散射。TERS是SERS中的一种特殊方法,其中增强仅发生在等离激元悬臂梁的尖端。

 

(iii) 表面增强红外吸收光谱SEIRAS

当分子吸附在纳米结构金属膜上时,SEIRAS利用分子实现对红外光的增强吸收。增强归因于局域表面等离激元谐振的激发,分析物振动偶极子的取向以及分析物极化率的变化

 

c. 光致发光

光致发光是指物体依赖外界光源进行照射,从而获得能量,产生激发导致发光的现象。发光来自分析物的固有特性或标记到特定分析物的发光标记。可以通过与等离激元基底上产生的表面等离激元的耦合来实现分析物或标记物荧光信号的增强。

 

04等离激元生物传感器有哪些实际应用?

 

应用

检测物质举例

底物和生物材料的表征

低分子量分子(甘油)、凝血酶、大肠杆菌等

环境监测

重金属离子、爆炸物等

人类健康诊断

微小RNA、细胞因子、癌症标记物等

食品安全

牛奶中的三聚氰胺、鱼中的亚甲蓝、农药残留等

 

05总结

 

尽管等离激元生物传感器在近些年取得了重大的进步,将这些器件从实验室推向实际应用依旧是一个富有挑战性的工作。

 

未来的等离激元传感器要着重提升其灵敏度、选择性和可重复性,以及设计和实施规范,使其可以在现实条件下使用。

 

总之,虽然等离激元生物传感器目前没有完全做好实际应用的准备,但种种迹象表明,这些应用并不遥远。

 

来源:中国光学