表面等离激元共振能量转移

表面等离激元共振能量转移（SPRET）是当表面等离激元（SPP）与邻近的量子发射体（如荧光分子、量子点）发生相互作用时，能量从发射体转移到等离激元模式，或反之的过程。理解SPRET需要从以下几个步骤展开：

1. 能量供体与受体的基本概念
   在能量转移体系中，存在一个能量供体（如激发态的荧光分子）和一个能量受体（如表面等离激元）。供体受光激发后，若其发射光谱与受体的吸收光谱重叠，且两者距离足够近（通常<20 nm），可能通过非辐射方式将能量转移至受体。这种转移不涉及光子发射，而是通过偶极-偶极耦合（如Förster共振能量转移，FRET）或近场相互作用实现。

2. 表面等离激元的电磁场增强特性
   金属纳米结构（如金、银）在共振频率光照下，其表面自由电子集体振荡形成表面等离激元。这一振荡会在金属-介质界面附近产生高度局域化的增强电磁场，其强度随距离呈指数衰减（典型衰减长度约100-200 nm）。该近场是SPRET发生的物理基础：当量子发射体处于此场范围内，其激发或辐射速率会被显著调制。

3. 能量转移的两种路径

   • 供体→等离激元路径：激发态发射体将能量转移至表面等离激元模式，导致发射体荧光猝灭。转移效率取决于发射体与等离激元模式的谱重叠程度、相对取向及距离。
   • 等离激元→受体路径：等离激元衰变时可将能量传递给邻近的受体分子，使其激发并发射荧光（称为等离激元增强荧光，PEF）。此路径需等离激元的辐射衰变通道占主导。

4. 距离依赖性与竞争效应
   SPRET效率对发射体-金属表面的距离极其敏感。在极近距离（<5 nm），非辐射能量转移至等离激元占优，导致荧光猝灭；在中等距离（5–20 nm），等离激元的场增强可能同时提升激发速率和辐射速率，反而增强荧光。这两种效应的平衡由等离激元的辐射/非辐射衰变分支比决定。

5. 理论模型：耦合偶极子近似
   定量描述SPRET需将发射体建模为振荡偶极子，与表面等离激元模式进行耦合。通过计算偶极子在金属结构附近的辐射功率修正（与自由空间相比），可推导出能量转移速率。该速率正比于局域态密度（LDOS）的变化，反映了等离激元对电磁模式的调控。

6. 应用与检测手段
   SPRET被广泛应用于生物传感（如检测分子结合事件）、纳米尺度成像和光电器件设计。实验上可通过测量荧光寿命变化（等离激元耦合会缩短寿命）或荧光强度与距离的关系来验证SPRET，并结合电磁模拟计算转移效率。