综述：涉及纳米材料的表面等离子体共振光学传感器作为可靠分析工具：关于性能与应用的关键观点

本综述系统评述了基于局域表面等离子体共振（LSPR）效应的光学传感器，重点探讨了表面增强光谱（SES）技术——包括表面增强拉曼光谱（SERS）、表面增强荧光（SEF）和表面增强红外吸收（SEIRA）——以及基于LSPR能带吸收的比色传感器。文章深入分析了各类传感器的增强机制、基底设计策略及定量分析方法，并详细列举了其在生物标志物检测、环境污染物监测、食品安全分析等领域的创新应用，为纳米光学传感器的开发提供了重要的理论依据和技术前瞻。

　　

表面等离子体共振光学传感器：纳米材料驱动的分析革命

摘要

纳米科学与技术的融合催生了新一代化学传感器——纳米传感器。这类传感器利用金属纳米颗粒（MNPs）特有的局域表面等离子体共振（LSPR）现象，通过其独特的光学性质实现了 transduction 和识别过程的高效化。本综述聚焦于基于LSPR效应的光学传感器，系统阐述其物理化学机制、性能优化策略及前沿应用，旨在为分析化学领域提供新的研究视角和技术路径。

背景

过去二十年里，纳米传感器因其卓越的性能而备受关注。金属纳米颗粒（如金、银纳米颗粒）因其可调的LSPR特性成为传感器构建的核心材料。LSPR源于纳米颗粒表面自由电子的集体振荡，这种振荡在特定波长光的激发下产生强烈的电磁场增强效应，为光学传感提供了基础。

纳米传感器不仅显著提升了检测灵敏度，还通过表面功能化实现了对特定分析物的高选择性识别。其应用范围涵盖生物医学诊断、环境监测、食品安全等多个领域，展现出巨大的潜力。

表面增强光谱（SES）传感器

表面增强荧光（SEF）

SEF利用金属纳米颗粒附近的强电磁场增强荧光信号的发射强度。其增强机制主要依赖于荧光分子与纳米颗粒之间的距离优化：当距离在5-30 nm时，荧光强度显著提升；过近（<5 nm）则因能量转移导致淬灭。近年来，基底设计不断创新，从早期的银膜、球形纳米颗粒发展到复杂结构如纳米多孔银环阵列、金纳米十字等，增强因子（EF）可达10²-10⁵量级。SEF传感器已成功用于重金属离子（如Hg²⁺）、维生素D₃、真菌毒素等的高灵敏检测。

表面增强拉曼光谱（SERS）

SERS通过电磁增强（EM）和化学增强（CT）机制将拉曼信号放大10⁶-10¹¹倍。EM机制源于LSPR产生的局部电磁场增强，而CT机制涉及分析物与金属表面的电荷转移。热点（hot spots）的形成——如纳米颗粒间隙或尖端——是实现超高灵敏度的关键。基底材料从传统的金银纳米颗粒扩展到半导体-金属杂化结构（如MoS₂/AgNPs）、金属有机框架（MOFs）等。SERS在生物分子检测（如DNA、蛋白质）、环境污染物分析及临床诊断中表现突出，甚至可实现单分子检测。

表面增强红外吸收（SEIRA）

SEIRA通过增强红外吸收信号实现分子结构分析，但其增强因子（～10³）远低于SERS。受限因素包括水的强红外吸收及基底重现性挑战。近年来，金纳米天线阵列、铝纳米颗粒等新材料被用于提升SEIRA性能，其在糖类、蛋白质二级结构分析中展现出潜力。

LSPR能带传感器：比色与吸收传感

此类传感器通过监测LSPR能带的变化（位移或强度改变）实现检测，机制分为聚集/分散型和非聚集型。聚集型依赖纳米颗粒的聚集状态改变（如由分析物诱导的交叉连接），而非聚集型基于纳米颗粒的蚀刻或生长过程。金、银纳米颗粒是最常用材料，但其应用已扩展至铂、铜等非贵金属纳米酶（nanozymes）。这些传感器在重金属检测（如Cr⁶⁺）、农药残留分析及食品新鲜度监测中具有显著优势，且因操作简便、成本低而适用于现场快速检测。

应用前沿

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  生物医学领域：SERS用于癌症标志物超灵敏检测（如IL-6、TNF-α，LOD达fg/mL级）；SEF用于病毒检测（如SARS-CoV-2）。

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  环境监测：SERS和比色传感器用于重金属（Hg²⁺、Pb²⁺）及有机污染物（多环芳烃、农药）的定量分析。

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  食品安全：霉菌毒素（黄曲霉毒素B₁）、抗生素残留（氟喹诺酮类）的高通量检测。

挑战与展望

尽管纳米光学传感器取得了显著进展，但仍面临重现性、复杂样品基质干扰及标准化等挑战。未来研究需聚焦于：

1. 1.

   开发高重现性、低成本基底制造技术；

2. 2.

   推动多模式传感（如SERS与微流控结合）；

3. 3.

   拓展非贵金属材料及纳米酶的应用；

4. 4.

   实现便携式设备与智能终端的集成。

结论

LSPR光学传感器凭借其高灵敏度、多样化的设计策略及广泛的应用前景，已成为分析化学领域的重要工具。SERS和比色传感技术因其成熟度和灵活性占据主导地位，而SEIRA和SEF仍有较大发展空间。通过跨学科合作和技术创新，纳米光学传感器有望在精准医疗、环境治理及食品安全等领域发挥更大作用。