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）是指能量从一个激发的表面等离激元（SPP）或局域表面等离激元共振（LSPR）纳米结构，通过非辐射的方式，转移到邻近的另一个能量接受体（如荧光分子、量子点或另一个纳米结构）的过程。其核心是等离激元的能量，而非电荷的直接转移。

1. 基础：表面等离激元

   • 首先，需要理解什么是表面等离激元。当光（电磁波）照射到金属（如金、银）纳米结构表面时，其振荡的电场会驱动金属中的自由电子集体协同振荡。这种电子密度的集体振荡量子化后就称为等离激元。
   • 如果这种电子振荡被局限在单个纳米粒子（如纳米球、纳米棒）内部，称为局域表面等离激元共振（LSPR）。LSPR会在纳米粒子周围产生一个强烈增强的局域电磁场。
   • 如果这种电子振荡沿着金属-电介质界面传播，则称为表面等离极化激元（SPP），它是一种沿界面传播的电磁波。

2. 能量转移的驱动力：偶极-偶极相互作用

   • SPRET在物理本质上与福斯特共振能量转移（FRET）非常相似，都依赖于偶极-偶极相互作用。在这种机制中，能量给体（这里是激发的等离激元纳米结构）和能量受体（如荧光分子）之间并不发生光子发射和再吸收，而是通过它们电磁场的近场相互作用直接进行能量交换。
   • 这种相互作用的强度与给体-受体之间距离的六次方成反比（1/r⁶）。这意味着SPRET是一个短程效应，通常只在给体与受体距离在1-10纳米范围内时才显著有效。

3. 能量转移的过程

   • 步骤一：激发。 用特定波长的光照射金属纳米结构，激发其产生LSPR或SPP。此时，光能转化为等离激元的能量。
   • 步骤二：能量转移。 被激发的等离激元纳米结构作为能量给体，通过其振荡偶极产生的近场，与非常靠近它的能量受体（其本身具有一个吸收偶极）发生耦合。
   • 步骤三：受体激发。 如果给体（等离激元）的发射光谱与受体（如荧光分子）的吸收光谱有足够重叠，并且距离足够近，能量就会从等离激元非辐射地转移到受体。
   • 步骤四：受体发光或弛豫。 获得能量后的受体被激发到高能态，随后通过发射荧光（辐射弛豫）或其他方式（非辐射弛豫）返回到基态。

4. SPRET的关键影响因素

   • 光谱重叠： 等离激元的“发射”谱（即其散射或衰变光谱）必须与受体的吸收光谱有显著重叠。这是能量共振转移发生的前提。
   • 距离： 遵循1/r⁶定律，距离是决定能量转移效率的最关键因素之一。微小的距离变化会导致效率的巨大改变。
   • 相对取向： 给体和受体的跃迁偶极矩的相对方向也会影响耦合强度。平行取向通常效率最高。
   • 等离激元的品质因数： 纳米结构的等离激元共振强度、局域场增强能力以及其自身的非辐射损耗速率都会影响其作为能量给体的效率。

5. SPRET的表征与效应

   • 当SPRET发生时，最直接的表征是能量给体信号的减弱和能量受体信号的增强。
   • 具体表现为：金属纳米结构的等离激元共振散射光或吸收光强度会减弱（给体淬灭），而靠近它的荧光分子的发光强度会显著增强（受体敏化）。
   • 反之，如果受体是一个淬灭剂（不发光，而是通过非辐射途径消耗能量），那么观察到的就是等离激元信号的淬灭。

6. SPRET的应用

   • 超灵敏生物传感： 利用SPRET效率对距离极其敏感的特性，可以设计探针来检测生物分子的结合、构象变化或相互作用。当目标物存在时，会引起给体-受体距离的变化，从而改变荧光信号。
   • 增强光谱信号： 通过精心设计，可以使等离激元能量高效转移到荧光分子或量子点，极大地增强其发光强度，用于单分子检测和成像。
   • 纳米尺度光能管理： 在纳米光子器件中，SPRET可以作为一种有效的能量输运通道，将光能引导至特定的位置或元件。