《等离子体银与金纳米颗粒：形状与结构调制的等离子体功能在即时检测传感、生物成像和医疗治疗中的应用》综述报告

本文是由美国马萨诸塞大学阿默斯特分校化学工程系的 Yingjie Hang, Anyang Wang 和 Nianqiang Wu* 三位学者合作撰写的一篇综述文章，发表于英国皇家化学学会的权威期刊 Chemical Society Reviews 上，在线发表日期为2024年（引用号：doi: 10.1039/d3cs00793f）。文章系统性地总结了银（Ag）和金（Au）纳米颗粒在生物医学应用中的最新进展，核心在于阐述纳米颗粒的几何形状、等离子体特性与具体应用性能之间的内在关联，并探讨了其在即时检测、生物成像和医学治疗等领域的设计策略与应用前景。

文章主要论点与论据阐述：

一、 银与金纳米颗粒的等离子体性质是其生物医学应用的基础 文章开篇即明确指出，银和金纳米颗粒因其独特的局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR）效应而广泛应用于生物医学领域。LSPR是指金属纳米颗粒中的传导电子在入射光共振激发下产生的集体振荡。作者归纳了五种关键的LSPR效应，这些效应是后续所有应用设计的物理基础： 1. 光吸收：用于光热治疗、光声成像和比色传感。 2. 光散射：用于暗场成像和比色传感。 3. 电磁场增强：这是表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）和等离子体增强荧光（Plasmon-Enhanced Fluorescence）的核心机制。 4. 热载流子发射：可用于光电化学传感和光催化。 5. 热效应：即光热转换，用于光热治疗。 文章强调，这些LSPR效应的强度、波长和模式强烈依赖于纳米颗粒的形状、尺寸和周围介电环境，这为通过可控合成“定制”纳米颗粒以实现特定功能提供了可能。

二、 纳米颗粒的形状与尺寸可控合成是调控其等离子体性能的关键手段 文章第二部分详细讨论了不同形状的银/金纳米颗粒的合成方法及其对应的等离子体特性。这是全文的核心技术基础部分，作者按形状分类进行了系统阐述： * 纳米球：合成方法包括物理法（如脉冲激光烧蚀）和化学法（如经典的Turkevich-Frens法、Brust-Schiffrin法）。其LSPR特性遵循Mie理论，主要受尺寸影响。小尺寸（<15 nm）以吸收为主，大尺寸（>50 nm）散射占主导。金与银纳米球的LSPR峰位不同（银约400 nm，金>500 nm），且银纳米球通常具有更高的电磁场增强和质量因子。 * 纳米棒：主要通过种子介导生长法合成，使用CTAB等表面活性剂和银离子调控长径比。其具有横向和纵向两个等离子体共振模式，其中纵向模式对长径比极为敏感，可通过调整长径比将其共振峰精确调谐至近红外（NIR）生物窗口，同时具有极高的电磁场增强（集中于两端）和光热转换效率。 * 纳米立方体/纳米笼：通过调控表面活性剂（如CTAB、PVP）、还原剂浓度和引入卤化物离子（如Br⁻）可合成尺寸和棱角锐度可控的立方体。以银纳米立方为模板，通过电偶置换反应可制备金纳米笼。纳米立方体除偶极模式外，大尺寸下可激发高阶模式。纳米笼的LSPR峰可通过壁厚、孔隙率和尺寸从近红外一区（NIR-I）调至近红外二区（NIR-II），但其共振峰较宽。 * 纳米星：通过种子介导法或无表面活性剂法合成，其等离子体特性源于核与尖端等离子体模式的杂化。尖锐的尖端能产生极强的局域电磁场“热点”，使其在SERS和光热转换方面表现优异。研究表明，纳米星产生的热电子注入速率远高于纳米球。 * 核壳结构：如Au@Ag或Ag@Au，通过外延生长或电偶置换法制备。非对称的核壳结构（如偏心核）可以打破对称性，激发高阶多极等离子体模式，从而增强光耦合效率。 * 基于纳米颗粒组装/阵列的超表面：当纳米颗粒周期排列形成阵列时，可产生晶格等离子体模式或表面等离子体极化激元（Surface Plasmon Polariton, SPP），其共振峰更窄、质量因子更高。文章简要介绍了电子束光刻、纳米球光刻、阳极氧化铝模板、纳米压印等制备超表面的纳米加工技术。

三、 基于等离子体纳米颗粒的光学探针设计是构建高性能即时检测传感器的核心 文章的第三部分聚焦于如何利用上述纳米颗粒构建用于即时检测（Point-of-Care Testing, POCT）的光学探针，并集成到纸基或聚合物基微流控器件中。 * 比色探针：利用纳米颗粒聚集、原位生长或刻蚀引起的LSPR峰位移和颜色变化进行检测。例如，通过DNA杂交或抗体-抗原反应使金纳米球聚集，溶液颜色由红变蓝，可用于检测。为提高灵敏度，可采用预聚集纳米颗粒或双纳米颗粒（大小球）级联放大的策略。金纳米球因其鲜明的红色而被广泛应用于妊娠试纸条和COVID-19抗原快速检测试纸条等纸基侧向流层析（Paper-based Lateral Flow Strip, PLFS）装置中。文章还介绍了在单条试纸上实现多目标物检测的微阵列点技术和多分支盘状纸器件设计。 * 荧光探针：通过将荧光团与等离子体纳米颗粒耦合，利用Purcell效应、等离子体诱导共振能量转移（PIRET）等机制增强荧光（等离子体增强荧光），或通过Förster共振能量转移（FRET）机制淬灭荧光。典型的探针结构为“金属核@间隔层@荧光团@涂层”。间隔层（如SiO₂、DNA）厚度（通常10-30 nm）对实现最大荧光增强至关重要。不同形状的纳米颗粒（如纳米星、纳米棒）增强效果不同，需根据荧光团光谱匹配LSPR峰位。在应用中，既有“信号开启”模式（探针直接产生增强荧光），也有“信号关闭”模式（基于FRET的荧光淬灭）。 * SERS探针：其信号放大主要源于电磁场增强（与|E|⁴成正比）。典型结构为“金属核@拉曼报告分子@涂层”（如SiO₂壳）。拉曼报告分子（如4-MBA、4-ATP）需靠近金属表面以获取最强增强场。具有尖锐特征的纳米颗粒（如纳米星）能产生更强的“热点”。文章作者Wu课题组的研究表明，金纳米星@SiO₂探针在纸基侧向流检测中，对血浆中神经元特异性烯醇化酶（NSE）的检测限比传统比色法低3个数量级。通过将SERS探针与纳米金字塔阵列基板结合形成分层3D等离子体场，可进一步大幅提升灵敏度。为解决全血检测中血细胞干扰的问题，作者团队还开发了集成血浆分离单元的“一体化”纸基试纸条。在PDMS微流控芯片中，SERS探针可与纳米阵列基板联用，并利用其指纹图谱特性实现多目标物（如多种肿瘤DNA突变、外泌体表型）的无标记、高通量检测，甚至可集成到可穿戴汗液传感器中。

四、 等离子体纳米颗粒在生物成像和医学治疗中展现出巨大潜力 文章最后部分概述了等离子体纳米颗粒在生物成像（基于SERS、荧光、光声、暗场模式）和医学治疗（光热治疗、光动力治疗）中的应用前景。 * 生物成像：暗场成像利用纳米颗粒的强光散射；SERS成像提供高特异性的分子指纹信息；等离子体增强荧光成像提高了荧光团的亮度和光稳定性；光声成像则利用纳米颗粒的光吸收产生的热弹性波进行深层组织成像。这些成像模式可适用于体外和体内环境。 * 医学治疗：光热治疗利用纳米颗粒（特别是LSPR在近红外区的纳米棒、纳米笼）的光热效应，在激光照射下产生局部高热杀死癌细胞。光动力治疗中，等离子体纳米颗粒可通过能量转移（如PIRET、热电子注入）激活周围的光敏剂产生活性氧，或本身作为光敏剂，实现对肿瘤的协同治疗。

文章的意义与价值： 本综述文章的价值在于，它并非孤立地介绍合成、性质或应用，而是首次系统性地、清晰地建立了“形状/结构可控合成 → 等离子体性能精准调控 → 面向特定生物医学应用的功能化设计”这一完整的逻辑链条。文章深入探讨了从基础物理原理（LSPR效应）到材料制备（形状尺寸合成），再到器件工程（探针设计与微流控集成）和最终应用（传感、成像、治疗）的全链条知识，为研究人员提供了全面的“设计指南”。特别强调了在POCT领域，如何根据检测需求（灵敏度、特异性、多重性、样本类型）选择合适的纳米颗粒形状、探针结构和检测模式（比色、荧光、SERS）。文章指出，未来发展的趋势在于开发更复杂、功能集成的纳米结构（如超表面、核壳异质结），并将其与微流控、便携式读数设备深度融合，以实现真正实用化、高性能的POCT平台和高效的诊疗一体化策略。