本文将介绍2017年发表在《nanophotonics》期刊上的一篇题为《Recent advances in surface plasmon resonance imaging: detection speed, sensitivity, and portability》的综述性文章（review article）。作者团队来自多个机构，包括Shenzhen University、The Chinese University of Hong Kong和Clemson University等，通讯作者为Shenzhen University的Yonghong Shao。
主题与背景
本文聚焦于表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）成像技术的最新进展，特别是围绕检测速度、灵敏度和便携性三个方面的技术突破。SPR技术作为一种无标记（label-free）、实时的生物分子相互作用分析工具，已被广泛应用于蛋白质-蛋白质、蛋白质- DNA、受体-药物等生物分子互作研究。其核心优势在于能够实时监测结合动力学，但传统技术在通量、分辨率和便携性上存在局限。本文系统梳理了SPR技术的四大检测模式（强度、角度、波长和相位）及其成像（SPRI）整合方案，并重点评述了纳米技术对SPR灵敏度提升的推动。
主要观点与论据
1. SPR技术的四种检测模式及其成像整合
- 强度检测（Intensity Interrogation）：通过测量SPR反射率线性区的强度变化实现检测。其优势在于简单易用，已被Biacore等商业化平台采用，但空间分辨率低（平行于SPW方向仅为2.8 μm）。例如，多通道SPR和SPRI技术通过CCD相机实现二维阵列的实时成像，但需优化操作点以覆盖异质表面。
- 角度检测（Angle Interrogation）：固定入射波长，通过扫描角度获取SPR dip位移。其灵敏度高于强度模式，可通过减少机械扫描（如双棱镜设计）或采用会聚光束（如双元光电探测器）提升速度。例如，Tao等通过双元探测器将角度分辨率提至10⁻⁵度，响应时间缩短至1 μs。
- 波长检测（Wavelength Interrogation）：固定入射角，通过光谱分析监测SPR dip。作者团队开发的基于声光可调滤波器（AOTF）的SPRI系统将扫描速度提升至340 ms/周期，灵敏度达1.27×10⁻⁶ RIU（折射率单位）。
- 相位检测（Phase Interrogation）：通过测量反射光相位差实现超高灵敏度（理论极限10⁻⁹ RIU），但动态范围有限。例如，Chou等开发的配对表面等离子体波传感器灵敏度达10⁻⁹ RIU，而Mach-Zehnder干涉仪方案可将灵敏度进一步提升至2×10⁻⁸ RIU。
支持论据：
- 数据对比：相位检测的灵敏度显著优于其他模式，但动态范围仅10⁻⁴ RIU；角度/波长模式的动态范围可达0.1 RIU以上（表1）。
- 实验案例：作者团队通过反馈调节波长扫描范围，将SPRI成像速度从60秒缩短至10秒（8×8 mm阵列）。
2. 纳米材料增强SPR传感灵敏度
- 等离子体纳米颗粒（如金/银纳米颗粒）：通过局部表面等离子体（LSP）与SPP耦合实现电磁场增强。例如，金纳米棒（gold nanorods）的纵向LSPR峰可调，其与金膜的耦合可使抗体检测限达40 pg/mL。
- 非等离子体纳米材料：
- 量子点（QDs）：Sandros团队通过适配体修饰的QDs将C反应蛋白检测限推至zeptomole（10⁻²¹摩尔）级别。
- 石墨烯：其π-π堆叠特性增强分子吸附，Wu等证明石墨烯覆盖金膜可将SPR信号提高3倍以上。
- 磁性纳米颗粒：通过靶标富集降低背景，Teramura等实现了25 pg/mL的脑钠肽检测。
支持论据：
- 仿真数据：Lévêque等模拟显示金纳米颗粒与金膜间隙的电场增强因子高达5000倍。
- 实验验证：Wang等采用抗体-量子点双重信号放大策略，将肿瘤标志物检测限降至0.1 ng/mL。
3. 纳米结构阵列在SPR传感中的应用
- 胶体合成vs光刻技术：电子束光刻（EBL）可精确调控纳米结构形貌，但成本高；纳米压印技术（Nanoimprint）能大规模制备纳米孔阵列（如Au纳米孔灵敏度达393 nm/RIU）。
- 3D结构突破衍射限制：Aristov等设计的银包覆木桩结构（woodpile crystal）通过离域等离子体模式将灵敏度提至2600 nm/RIU，同时提供更大表面积用于分子固定。
支持论据：
- 性能对比：Rodríguez-Fortuño等制备的金纳米十字阵列对化学单层的灵敏度达700 nm/RIU。
- 创新设计：Xiao等结合软光刻技术实现纳米光栅、牛眼结构的快速复制，推动低成本SPR芯片发展。
意义与价值
- 学术价值：系统总结了SPRI技术在多通量、实时检测中的工程优化路径，并阐明了纳米材料与SPR协同作用的物理机制。
- 应用前景：相位敏感SPRI与波长复用技术的结合为便携式设备开发提供新思路；纳米结构阵列的高灵敏度特性有望推动单分子检测。
- 技术前瞻：作者指出未来需解决SPRI快速成像、空间分辨率提升及仪器小型化等挑战，并强调纳米操纵技术（如等离子体纳米镊子）将拓展动态监测能力。
亮点总结
- 技术整合：首次全面比较四种SPR检测模式的性能边界（灵敏度、动态范围、速度），并提出波长-相位复合模式优化方案。
- 纳米增强创新：梳理了从传统金纳米颗粒到石墨烯、量子点的材料演进，揭示非等离子体纳米材料的独特优势。
- 跨学科融合：结合纳米光子学、生物传感与微纳加工技术，为下一代SPR传感器设计提供方法论指导。
此综述为SPR研究者提供了技术选择的参考框架，并为高灵敏生物检测器的开发奠定了理论基础。