表面等离激元增强荧光

表面等离激元增强荧光（Surface Plasmon-Enhanced Fluorescence, SPEF）是一种利用金属纳米结构表面等离激元共振来增强荧光分子发光强度的现象。要理解这一现象，我们需要从荧光的基本原理开始，逐步引入表面等离激元的概念，最后解释增强机制。

1. 荧光基础：荧光是某些分子（称为荧光团）吸收光子后，电子从基态跃迁到激发态，随后通过辐射弛豫返回基态并发射出光子的过程。荧光的强度取决于激发速率和量子产率（发射光子数与吸收光子数之比）。在实际应用中，荧光信号可能较弱，因此需要增强。

2. 金属表面等离激元：当光照射到金属纳米结构（如金或银纳米颗粒）时，如果光的频率与金属中电子的集体振荡频率匹配，会激发表面等离激元共振。这种共振导致金属表面局域电场显著增强，并形成局域电磁场“热点”。表面等离激元可以分为传播型（在金属-介质界面传播）和局域型（在纳米结构附近局域化），SPEF主要利用局域型。

3. 荧光与等离激元的相互作用：当荧光团靠近金属纳米结构（通常在10纳米以内）时，表面等离激元通过两种机制增强荧光：

   • 激发增强：金属纳米结构局域电场的增强提高了荧光团对激发光的吸收效率，从而增加激发速率。
   • 发射增强：表面等离激元可以改变荧光团的辐射衰减率，通过等离激元共振与荧光发射耦合，提高辐射效率。同时，等离激元还可能抑制非辐射过程（如热弛豫），进一步提升量子产率。

4. 距离依赖性：SPEF的增强效果强烈依赖于荧光团与金属表面的距离。如果距离太近（小于5纳米），可能导致荧光猝灭，因为能量非辐射转移到金属；在最佳距离（约10-20纳米），增强效应最大化。这需要通过实验或理论模型（如Förster共振能量转移理论）优化。

5. 应用与影响因素：SPEF广泛应用于生物传感、成像和单分子检测等领域，因为它能显著提高检测灵敏度和信噪比。影响因素包括金属纳米结构的形状、尺寸和材料，以及荧光团的取向和环境介电性质。例如，金纳米星或纳米棒可以通过调控等离激元共振波长来匹配特定荧光团。

总之，表面等离激元增强荧光通过利用金属纳米结构的电磁场增强，优化了荧光过程的激发和发射步骤，是纳米光子学和生物技术中的重要工具。