表面增强光谱和表面等离激元共振传感器

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1、2011年第56卷第20期：1585~1592《中国科学》杂志社评述www.scichina.comcsb.scichina.comSCIENCECHINAPRESS表面增强光谱和表面等离激元共振传感器①②①*贺卫东,张伟,栗苹①北京理工大学机电工程与控制国家级重点实验室,北京100081;②中国科学院物理研究所,北京100190*联系人,E-mail:liping85@bit.edu.cn2010-12-29收稿,2011-02-17接受国家自然科学基金资助项目(10874233)摘要表面等离激元光子学是研究光和金属表面自由电子耦合所引起金属表面电荷密度

2、振关键词荡的性质及其应用的一门学科.金属中的自由电子在入射光的作用下产生集体振荡.在垂表面等离激元直表面的方向上强度呈指数衰减,使得亚波长金属结构中光场高度局域.由于独特的光学表面增强拉曼光谱性质,使得其具有广泛的应用,其中两个重要的分支为:表面增强光谱和表面等离激元共表面增强荧光振传感器.表面增强光谱传感器是利用纳米结构的巨大表面增强效应来直接探测表面分子,表面等离激元共振传感器通过检测目标分子对等离激元共振峰的影响进行定性定量检测.这两种优势互补的传感器技术都可以达到单细胞甚至单分子的检测水平.本文将论述表面等离激元光子学的原理、表面增强光谱和表面增强

3、光谱传感器研究领域的国内外最新进展和发展趋势.表面等离激元是沿着金属表面传播的光波,是银纳米结构发生相互作用时,所发生的强烈的表面14光与金属中的自由电子相互作用的结果.金属中的等离激元共振可以使拉曼散射信号强度增强10以自由电子在入射光的作用下产生集体振荡,在垂直上,从而实现拉曼光谱的单分子探测,并获得分子的界面的方向上,强度呈指数衰减,使得亚波长金属结“指纹”信息(化学结构和表面吸附取向).因此,基于构中光场高度局域.基于表面等离激元的纳米结构金属纳米结构的奇特的表面等离激元共振特性受到体系的研究已成为国际上迅猛发展的热点研究领域了广泛关注,相关研究成

4、为国际上的热点研究领域,之一,即表面等离激元光子学.尽管随着扫描隧道显即表面等离激元光子学.微镜技术的发展,在高真空“相对简单”的环境中实表面等离激元光子学包含非常广泛的研究内容.[1]现单分子和单原子分辨相当容易,但是在“相对复随着纳米科学的发展,以表面等离激元共振为基础杂”的生物体内环境中(如在单个器官或单个细胞内),的研究日益活跃,并派生出众多的研究分支,如表面[7][8]实现单分子分辨和检测所用的手段却极其有限.荧光电场增强、表面增强光谱、光透射增强、表面[2,3][9][10]光标记和量子点标记是目前较为灵敏的检测技术,等离激元纳米波导、光学力增

5、强、表面等离激元[11][12]但适合标记的对象却十分有限,并且标记物会干扰光催化、表面增强的能量转移等.[13]待测生物体或生物分子的原有结构,从而改变或破近年来,有关表面增强光谱和表面等离激元[14]坏生物分子的天然活性和功能,严重影响测定结果共振传感器的研究已成为传感器领域的研究热点.的准确性、可靠性.最近,基于金属纳米结构的表面表面增强光谱传感器是利用纳米结构的巨大表面增等离激元共振所表现出的超敏感特性使无标记的单强效应来直接探测表面分子,并可确定分子的结构[4~6]和取向,而表面等离激元共振传感器是通过检测目分子探测成为可能.例如,当激光与特定的

6、金和英文引用格式:HeWD,ZhangW,LiP.Surface-enhancedspectroscopyandsurfaceplasmonresonancesensor(inChinese).ChineseSciBull(ChineseVer),2011,56:1585–1592,doi:10.1360/972010-22022011年7月第56卷第20期标分子对等离激元共振峰的影响进行定性定量检测.荷的联合性质.表面等离激元沿着金属表面传播,在这两种优势互补的传感器技术都可以达到单细胞甚垂直于表面的方向上,在距离表面很近的地方电场至单分子的检测水平.与

7、传统的生化分析技术相比,强度得到增强,电场强度指数衰减.如图1(b)所示,表面等离激元共振传感器和表面增强光谱技术均具垂直于金属表面的电场就是通常所说的消逝场或近有无标记、实时快速、可在线连续检测等优点.目前,场.由麦克斯韦方程和边界条件可以得到表面等离[15]表面等离激元共振传感器已经在蛋白组学和基因激元的色散关系,如图1(c)所示.表面等离激元的波[16]组学等生命科学研究领域发挥至关重要的作用,失为成为研究生化分子相互作用的最有力工具.表面等εε12离激元传感器也广泛应用在制药行业[17].基于表面kksp=0,ε+ε12等离激元共振检测阵列的药物粗

8、筛工艺可以大大降式中k0=ω/c为自由空间的波失,ε1和ε2分别为