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內(nèi)容簡介

表面等離子體共振效應(yīng)（Surface Plasmon Resonance, SPR）能夠顯著增強(qiáng)光吸收，誘導(dǎo)穩(wěn)態(tài)電子進(jìn)入激發(fā)態(tài)形成 “熱電子”。在熱電子弛豫過程中，局域場增強(qiáng)、載流子濃度漲落、光熱轉(zhuǎn)換等物理效應(yīng)相繼發(fā)生。其所特有的內(nèi)稟性質(zhì)在實(shí)現(xiàn)生物分子快速檢測、藥物精確合成遞與送、以及腫瘤無創(chuàng)治療等方面展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力，因此引起了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。近日，中國石油工程材料研究院趙宇鑫專家團(tuán)隊(duì)與新加坡南洋理工大學(xué)趙彥利教授課題組，在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《Chemical Reviews》聯(lián)合發(fā)表了題為“Hot-Electron Dynamics Mediated Medical Diagnosis and Therapy”的綜述文章，本文第一作者為羅兵博士。該文著重介紹了熱電子診療領(lǐng)域的最新進(jìn)展，總結(jié)了當(dāng)前面臨的重大挑戰(zhàn)和潛在解決路徑。

圖1 熱電子動(dòng)力學(xué)介導(dǎo)的醫(yī)學(xué)診療

圖文解析

熱電子動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

熱電子通過表面等離激元（Surface Plasmon, SP）的非輻射衰變激發(fā)產(chǎn)生，其動(dòng)力學(xué)過程涵蓋了從光激發(fā)到熱弛豫的所有階段。當(dāng)前在生物醫(yī)療領(lǐng)域廣受關(guān)注的熱電子動(dòng)力學(xué)物理效應(yīng)主要包括局域場增強(qiáng)、載流子濃度漲落、光熱轉(zhuǎn)換，它們受到材料的基本性質(zhì)和納米結(jié)構(gòu)的幾何特征的影響。精確量化熱電子動(dòng)力學(xué)特性，有利于理解等離子體材料的基本性質(zhì)、構(gòu)效關(guān)系規(guī)律以及適配實(shí)際診療需求的器件設(shè)計(jì)原則。

熱電子動(dòng)力學(xué)的研究中，掃描隧道顯微技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單分子級(jí)別的電磁場探測，表面增強(qiáng)拉曼光譜進(jìn)一步將空間分辨率提高至亞納米尺度，而量子點(diǎn)熒光顯示技術(shù)則在近場分布的直接成像方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。對(duì)于熱電子輸運(yùn)過程，早期主要利用金屬/半導(dǎo)體肖特基納米二極管的光電流響應(yīng)獲取熱電子轉(zhuǎn)移信息，如今通過光電導(dǎo)探針顯微鏡便可以直接成像熱電子傳輸。此外，瞬態(tài)光譜技術(shù)的飛秒級(jí)時(shí)間分辨率對(duì)于研究熱電子弛豫過程和壽命至關(guān)重要，而通過耦合聯(lián)用單分子結(jié)器件可在單電子層面實(shí)現(xiàn)熱電子能態(tài)分布的精細(xì)測量。在熱效應(yīng)研究方面，差分掃描量熱技術(shù)的測試精度當(dāng)前可以達(dá)到pW級(jí)，非接觸式的分子熱探針技術(shù)也在納米尺度熱測量中展現(xiàn)了巨大潛力。但受限于等離子體納米結(jié)構(gòu)的復(fù)雜幾何構(gòu)型和需要的超高時(shí)空分辨率，通過實(shí)驗(yàn)精準(zhǔn)測量納米結(jié)構(gòu)的近場信息、非平衡熱電子的超快弛豫過程和瞬態(tài)特性，以及納米尺度下的熱量動(dòng)態(tài)傳遞仍然極具挑戰(zhàn)。此外，熱電子動(dòng)力學(xué)特性與微觀生物作用過程以及與診療相關(guān)的關(guān)聯(lián)研究尚未得到充分展開，也需要更多的原位探究。

圖2 熱電子動(dòng)力學(xué)原位探測手段

熱電子動(dòng)力學(xué)介導(dǎo)的高效診斷技術(shù)

目前，利用熱電子動(dòng)力學(xué)各階段的物理效應(yīng)，研究人員已經(jīng)開發(fā)了多種類型的等離子體診斷平臺(tái)。這些等離子體醫(yī)療診斷平臺(tái)具備超靈敏度、強(qiáng)選擇性、高可重復(fù)性和低成本等優(yōu)點(diǎn)，可用于生物標(biāo)記物信息識(shí)別和生物微觀過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)獲取。為了適應(yīng)不同應(yīng)用場景，可靠的等離子體診斷器件不僅取決于等離子體材料的選擇，還需要設(shè)計(jì)選用合理的SP激發(fā)結(jié)構(gòu)（如棱鏡型、光柵型、光纖型、消光型和暗場型等）。值得注意的是，微流控技術(shù)在醫(yī)療診斷中具有顯著的潛力。它可以降低生物樣本用量，提高樣本輸送效率和檢測響應(yīng)速度，并有助于構(gòu)建下一代高度集成、高通量和多分析物感知的便攜式診療設(shè)備。

圖3各類集成式診斷平臺(tái)

基于上述等離子體診斷平臺(tái)，經(jīng)熱電子動(dòng)力學(xué)效應(yīng)強(qiáng)化后的折射率漂移量和分子光譜可用于生物目標(biāo)的超靈敏診斷識(shí)別。折射率信號(hào)由散射光的波長或角度漂移量表征，其檢測限可達(dá)納摩爾級(jí)。發(fā)展干涉型折射率傳感器能繼續(xù)提升檢測靈敏度，此外，還需同步發(fā)展表面化學(xué)修飾技術(shù)提高檢測選擇性和穩(wěn)定性。對(duì)于增強(qiáng)分子光譜診斷技術(shù)，通過被檢測分子的光譜指紋特征已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單分子水平的特異性檢測。此類診斷技術(shù)具有超高的檢測靈敏度和空間分辨率，在細(xì)胞/亞細(xì)胞生物過程的原位探究中作用巨大，在集成個(gè)性化微型醫(yī)療器件以及構(gòu)建智能化醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)方面也極具應(yīng)用潛力。

圖4典型診斷模式分類

熱電子動(dòng)力學(xué)介導(dǎo)的醫(yī)藥治療技術(shù)

在藥物合成方面，納米等離子體結(jié)構(gòu)可作為強(qiáng)化單元構(gòu)筑復(fù)合高效催化劑，通過熱電子動(dòng)力學(xué)效應(yīng)加速目標(biāo)反應(yīng)進(jìn)行，從而減少不良副產(chǎn)物的生成，提高目標(biāo)產(chǎn)品產(chǎn)率。特別是藥物篩選領(lǐng)域，將納米等離子體材料與微流控技術(shù)相融合，構(gòu)建多功能藥物合成篩選一體化平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)藥物的高通量合成和原位篩選評(píng)估。這一方法為提高新藥研發(fā)效率和降低成本提供了有效途徑。

圖5藥物合成和篩選

在臨床救治方面，基于納米等離子體制劑的光療法具備多重優(yōu)點(diǎn)，包括原位可控、無明顯耐藥性和特異性強(qiáng)。其中，光動(dòng)力治療（Photodynamic Therapy, PDT）通過熱電子動(dòng)力學(xué)效應(yīng)生成活性氧以清除靶標(biāo)，其治療效果依賴于亞細(xì)胞尺度下光敏劑的準(zhǔn)確定位以及光敏劑與靶標(biāo)之間的相互作用。而光熱治療（Photothermal Therapy, PTT）主要依靠熱效應(yīng)產(chǎn)生的局部高溫，精準(zhǔn)消融腫瘤組織，治療效果與光熱轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)。在該領(lǐng)域，PDT和PTT協(xié)同提升光療效率是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。另外，熱電子能直接誘導(dǎo)活性氧的生成，也可以熱弛豫提高局部溫度，所以在PTT治療中，量化PDT和PTT的實(shí)際貢獻(xiàn)也是挑戰(zhàn)之一，這與熱電子動(dòng)力學(xué)效應(yīng)解耦研究的發(fā)展程度密切相關(guān)。

總結(jié)與展望

綜上，熱電子動(dòng)力學(xué)介導(dǎo)的診療領(lǐng)域發(fā)展關(guān)鍵，將集中在以下三個(gè)方面：（1）新材料設(shè)計(jì)開發(fā)——基于組合材料學(xué)思想，建立并行化、自動(dòng)化和微量化高通量篩選工藝，構(gòu)建針對(duì)不同臨床應(yīng)用場景的配方數(shù)據(jù)庫及高效數(shù)據(jù)挖掘方法。（2）基礎(chǔ)機(jī)制原位解耦——定量研究熱電子動(dòng)力學(xué)誘導(dǎo)的各類典型物理效應(yīng)，開發(fā)具有高時(shí)空分辨率的實(shí)驗(yàn)探測技術(shù)，原位探究生物分子作用過程和量子生物過程。（3）診療器件與系統(tǒng)集成——發(fā)展微型器件受限空間內(nèi)的三維可控組裝與復(fù)配技術(shù)，結(jié)合邊緣智慧算法與人機(jī)交互接口技術(shù)，構(gòu)建實(shí)時(shí)響應(yīng)、準(zhǔn)確可靠的智慧化個(gè)性診療裝備與一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。