納米尺寸效應

當固體晶體材料縮減到納米尺度時就會展現出和塊體結構不一樣的性質。超順磁性的Fe3O4以及納米金就是很好的例子。大塊的Fe3O4是亞鐵磁性的，但是納米尺寸的Fe3O4是超順磁性的，也就意味著當存在磁場時納米Fe3O4表現出磁性，當移去磁場時其磁性消失，這導致超順磁性Fe3O4 對於磁場的變化非常敏感並且響應很快。而不同尺寸和形狀的納米金可與波長范圍400-1200 nm）的可見光及近紅外光發生相互作用，並且導致表面等離子共振吸收或散射，從而使得納米金表現出獨特的光學特性。例如，40nm的納米金修飾抗體後可用於免疫層析試紙條的構建，這也是最早應用於臨床的POCT技術；10nm的納米金修飾特異性單抗構建納米探針，可用於免疫電鏡中對細胞表面的抗原進行標記和定位；金標銀染技術也廣泛用於免疫檢測或核酸檢測中的信號放大。

表面等離子共振（SPR）

通常來說，表面等離子共振（SPR)有兩種形式，如圖1所示，傳播的等離子體及局域化的表面等離子體。當入射光與光滑金屬表面相接觸時會激發出金屬表面的電子波，電子波會在金屬表面傳遞，並與光耦合，這種現象被稱為表面等離子極化（SPP）。當光與金屬納米粒子相互作用時會產生局域表面等離子共振（LSPR），這主要是由於金屬納米粒子費米能級附近導帶上的自由電子在入射光頻電場的驅動下在金屬表面發生集體振蕩，產生局域表面等離激元。當入射光的頻率正好與自由電子的固有振動頻率相同時，則發生共振，即局域表面等離子體共振（LSPR）。此時，電磁場的能量被有效地轉變為金屬表面自由電子的集體振動能。LSPR的激發會產生三種效果：（1）納米粒子表面局域電磁場的增強從而引起表面增強光譜，例如表面增強拉曼散射（SERS），表面增強紅外，表面增強熒光等；（2）波長選擇性吸收；（3）共振瑞利散射。LSRP與金屬的形狀、大小、尺寸以及介電環境有關。因此，當光照射金納米粒子時，一部分的光被吸收，一部分穿透，還剩餘一部分發生散射。溶膠的顏色與納米粒子的尺寸有關，其吸收光譜隨尺寸增加而發生紅移。另外，納米粒子的聚集會導致顏色變化，通常來說這些變化依靠眼睛的靈敏度便可以辨識，同時也很容易被光譜儀器所檢測到。這一性質使得金納米粒子可以作為現代診斷很有用的一個工具。例如，在兩份納米金表面分別修飾不同的單鏈核酸構建探針，當分析物中存在共同的互補序列核酸時，則會誘導探針發生雜交並聚集，從而發生顏色改變，這一性質可用於發展生物檢測方法。

94db274ae7653463164afed06a300dc7圖1. 入射光激發出光滑金膜的表面等離子極化（SPP）和金納米粒子表面局域等離子共振（LSPR）示意圖【1】

納米金的形狀

納米金可以被化學制備成不同的形狀，包括納米球、納米棒、納米錐、納米殼、納米三角片、納米星、八面體、立方體以及納米籠等。有時納米金可以包裹在SiO2矽納米粒子核上形成金殼，有些時候，在金納米粒子表面可以包裹銀。不同形狀的納米金會產生不同的光學性質，而根據不同的下遊應用，需要對這些不同形狀納米金進行選擇。例如金納米棒具有依賴於長徑比可調的縱向表面等離子體共振吸收，金納米殼具有依賴於殼層厚度可調表面等離子體共振吸收，當選擇具有近紅外吸收的金納米棒或納米殼時，可以構建用於光聲成像與腫瘤熱療的多功能納米材料；金納米籠可負載藥物，並且具有近紅外吸收，可以構建具有熱化療協同治療功能的納米材料；包覆介孔SiO2納米殼層的金納米棒同樣可以載藥並聯合熱療與光聲成像，從而構建具有診療一體化功能的醫用納米材料。

圖2. 各種形狀的金納米粒子

表面等離子共振生物傳感器

納米金蒸鍍在光滑玻璃表面可用作表面等離子共振生物傳感器的芯片。表面等離子共振生物傳感器通常用於無標記檢測各種生物分子如抗體-抗原，多肽、蛋白質、寡核苷酸、寡聚糖，以及病毒、細菌、細胞、小分子化合物之間的相互作用過程。以抗體抗原結合檢測為例，抗體通常會固定在一個納米金傳感器芯片上，當偏振光通過某一角度進入棱鏡時會在棱鏡和金膜表面發生全內反射現象，所形成的消逝波進入光疏介質（金膜）中，並與金膜在光作用下產生的表面等離子波發生共振，此時檢測到的反射光強會大幅度減弱。這時光的入射角被稱為SPR角，SPR角隨著金膜表面折射率的變化而變化。因此當抗原和抗體結合時，折射率會發生變化，SPR角也會發生變化。因此表面等離子共振生物傳感器的SPR角變化可以動態地獲取生物分子之間特異性的相互作用。

圖3. 表面等離子共振生物傳感器檢測抗體抗原相互作用的示意圖【2】

^[1]

參考

1. ^Liang Z.Q., Sun J., Jiang Y.Y., Jiang L. Chen X. D., Plasmonic Enhanced Optoelectronic Devices, Plasmonics, 2014, 9, 869-866.