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內容簡介

表面等離子體共振效應（Surface Plasmon Resonance, SPR）能夠顯著增強光吸收，誘導穩態電子進入激發態形成 “熱電子”。在熱電子弛豫過程中，局域場增強、載流子濃度漲落、光熱轉換等物理效應相繼發生。其所特有的內稟性質在實現生物分子快速檢測、藥物精確合成遞與送、以及腫瘤無創治療等方面展現出巨大應用潛力，因此引起了生物醫學領域的廣泛關注。近日，中國石油工程材料研究院趙宇鑫專家團隊與新加坡南洋理工大學趙彥利教授課題組，在國際頂尖學術期刊《Chemical Reviews》聯合發表了題為“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域的最新進展，總結了當前面臨的重大挑戰和潛在解決路徑。

圖1 熱電子動力學介導的醫學診療

圖文解析

熱電子動力學基礎

熱電子通過表面等離激元（Surface Plasmon, SP）的非輻射衰變激發產生，其動力學過程涵蓋了從光激發到熱弛豫的所有階段。當前在生物醫療領域廣受關注的熱電子動力學物理效應主要包括局域場增強、載流子濃度漲落、光熱轉換，它們受到材料的基本性質和納米結構的幾何特征的影響。精確量化熱電子動力學特性，有利于理解等離子體材料的基本性質、構效關系規律以及適配實際診療需求的器件設計原則。

熱電子動力學的研究中，掃描隧道顯微技術已經實現了單分子級別的電磁場探測，表面增強拉曼光譜進一步將空間分辨率提高至亞納米尺度，而量子點熒光顯示技術則在近場分布的直接成像方面具有獨特優勢。對于熱電子輸運過程，早期主要利用金屬/半導體肖特基納米二極管的光電流響應獲取熱電子轉移信息，如今通過光電導探針顯微鏡便可以直接成像熱電子傳輸。此外，瞬態光譜技術的飛秒級時間分辨率對于研究熱電子弛豫過程和壽命至關重要，而通過耦合聯用單分子結器件可在單電子層面實現熱電子能態分布的精細測量。在熱效應研究方面，差分掃描量熱技術的測試精度當前可以達到pW級，非接觸式的分子熱探針技術也在納米尺度熱測量中展現了巨大潛力。但受限于等離子體納米結構的復雜幾何構型和需要的超高時空分辨率，通過實驗精準測量納米結構的近場信息、非平衡熱電子的超快弛豫過程和瞬態特性，以及納米尺度下的熱量動態傳遞仍然極具挑戰。此外，熱電子動力學特性與微觀生物作用過程以及與診療相關的關聯研究尚未得到充分展開，也需要更多的原位探究。

圖2 熱電子動力學原位探測手段

熱電子動力學介導的高效診斷技術

目前，利用熱電子動力學各階段的物理效應，研究人員已經開發了多種類型的等離子體診斷平臺。這些等離子體醫療診斷平臺具備超靈敏度、強選擇性、高可重復性和低成本等優點，可用于生物標記物信息識別和生物微觀過程的動力學參數獲取。為了適應不同應用場景，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，還需要設計選用合理的SP激發結構（如棱鏡型、光柵型、光纖型、消光型和暗場型等）。值得注意的是，微流控技術在醫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速度，并有助于構建下一代高度集成、高通量和多分析物感知的便攜式診療設備。

圖3各類集成式診斷平臺

基于上述等離子體診斷平臺，經熱電子動力學效應強化后的折射率漂移量和分子光譜可用于生物目標的超靈敏診斷識別。折射率信號由散射光的波長或角度漂移量表征，其檢測限可達納摩爾級。發展干涉型折射率傳感器能繼續提升檢測靈敏度，此外，還需同步發展表面化學修飾技術提高檢測選擇性和穩定性。對于增強分子光譜診斷技術，通過被檢測分子的光譜指紋特征已經實現了單分子水平的特異性檢測。此類診斷技術具有超高的檢測靈敏度和空間分辨率，在細胞/亞細胞生物過程的原位探究中作用巨大，在集成個性化微型醫療器件以及構建智能化醫療監控網絡方面也極具應用潛力。

圖4典型診斷模式分類

熱電子動力學介導的醫藥治療技術

在藥物合成方面，納米等離子體結構可作為強化單元構筑復合高效催化劑，通過熱電子動力學效應加速目標反應進行，從而減少不良副產物的生成，提高目標產品產率。特別是藥物篩選領域，將納米等離子體材料與微流控技術相融合，構建多功能藥物合成篩選一體化平臺，可實現藥物的高通量合成和原位篩選評估。這一方法為提高新藥研發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點，包括原位可控、無明顯耐藥性和特異性強。其中，光動力治療（Photodynamic Therapy, PDT）通過熱電子動力學效應生成活性氧以清除靶標，其治療效果依賴于亞細胞尺度下光敏劑的準確定位以及光敏劑與靶標之間的相互作用。而光熱治療（Photothermal Therapy, PTT）主要依靠熱效應產生的局部高溫，精準消融腫瘤組織，治療效果與光熱轉換效率密切相關。在該領域，PDT和PTT協同提升光療效率是當前的研究熱點之一。另外，熱電子能直接誘導活性氧的生成，也可以熱弛豫提高局部溫度，所以在PTT治療中，量化PDT和PTT的實際貢獻也是挑戰之一，這與熱電子動力學效應解耦研究的發展程度密切相關。

總結與展望

綜上，熱電子動力學介導的診療領域發展關鍵，將集中在以下三個方面：（1）新材料設計開發——基于組合材料學思想，建立并行化、自動化和微量化高通量篩選工藝，構建針對不同臨床應用場景的配方數據庫及高效數據挖掘方法。（2）基礎機制原位解耦——定量研究熱電子動力學誘導的各類典型物理效應，開發具有高時空分辨率的實驗探測技術，原位探究生物分子作用過程和量子生物過程。（3）診療器件與系統集成——發展微型器件受限空間內的三維可控組裝與復配技術，結合邊緣智慧算法與人機交互接口技術，構建實時響應、準確可靠的智慧化個性診療裝備與一體化網絡系統。