[论文解读] Spaser as Novel Versatile Biomedical Tool

Ekaterina I. Galanzha, Robert Weingold+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2015

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications参考文献 37被引用 10

一句话总结

本文展示了基于表面等离子体激元放大的纳米激光器——spaser——通过结合高强度、窄带受激辐射（0.8 nm 带宽）与强光声及光热对比，作为高效、多功能生物医学探针的潜力。采用涂有荧光素钠染料的金纳米核作为增益介质，作者实现了‘巨量激射’，其发射亮度较量子点高出约380倍，光谱宽度窄30倍，从而在体外和体内实现了超对比度、低毒性、单脉冲成像与诊疗一体化。

ABSTRACT

Fluorescence imaging and spectroscopy remain the most powerful tools for visualization with chemical and immunological specificity of labeled biomolecules, viruses, cellular organelles, and living cells in complex biological backgrounds. However, a common drawback of fluorescence labels is that their brightness is limited by optical saturation and photobleaching. As an alternative, plasmonic metal nanoparticles are very promising as optical labels with no photobleaching and low optical saturation at realistic exciting intensities as was demonstrated in photoacoustic and photothermal sensing, imaging, and theranostics. However, plasmonic nanoparticles have wide absorption spectra and are not fluorescent, which limits their spectral selectivity and multimodal functionality, respectively. Here we demonstrate experimentally, both in vitro and in vivo, that spaser (surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation) provides unprecedented efficiency as a versatile tool in biomedical research and applications. This is due to the unique combination of intense near-monochromatic stimulated emission and strongly enhanced absorption, free of optical saturation. Using soluble and biocompatible uranine dye as a gain medium surrounding the gold nanocore as a plasmonic resonator, we demonstrate unprecedented spaser stimulated emission intensity ("giant spasing") and a narrow spectral width (0.8 nm), which are more than ~380-fold and ~30-fold, respectively, better than in quantum dots as the best conventional fluorescent nanoprobes. At the same time, the plasmonic spaser nanocore served as excellent photoacoustic and photothermal contrast agents for imaging and nanobubble-based theranostics of cancer cells. This makes the spasers, arguably, the best multifunctional, super-contrast, low-toxicity optical probes in biomedical research, especially with single-pulse excitation.

研究动机与目标

• 开发一类新型光学探针，以克服传统荧光标记物的局限性，如光漂白和光学饱和。
• 解决等离子纳米颗粒缺乏光谱选择性与多模态功能的问题，这些颗粒虽明亮但不具备荧光特性。
• 设计一种具有金纳米核与荧光素钠染料增益介质的生物相容性、可溶性 spaser，用于体外和体内生物医学应用。
• 证明 spaser 可作为双模态探针，同时实现类荧光成像与光声/光热成像及治疗。
• 在单脉冲激发条件下验证 spaser 的性能，以实现快速、高对比度的生物医学诊断与诊疗一体化。

提出的方法

• spaser 由金纳米棒作为等离子共振器，荧光素钠染料作为增益介质，形成核-壳纳米结构。
• 通过染料分子中的粒子数反转实现受激辐射，由金核的等离子场放大。
• 采用单激光脉冲激发，以实现实时、高对比度成像与检测。
• 利用近场光学测量与光谱分析，量化发射光的强度与带宽。
• 测量光声与光热响应，以评估探针对其他成像模式的性能。
• 在癌症细胞模型中开展体内实验，以证明其多模态功能与低毒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于 spaser 的探针能否显著提升亮度并实现比传统荧光纳米探针（如量子点）更窄的发射带宽？
• RQ2 在单脉冲激发下，spaser 的信号强度与光稳定性相较于标准荧光染料表现如何？
• RQ3 同一 spaser 纳米结构在多大程度上可作为多功能探针，用于类荧光成像、光声成像与光热治疗？
• RQ4 spaser 的受激辐射光谱宽度与强度如何？与量子点相比有何差异？
• RQ5 spaser 是否能在复杂生物环境（包括体内）中有效工作，而不会造成显著光损伤或毒性？

主要发现

• spaser 的受激辐射带宽仅为 0.8 nm，与传统荧光探针相比，光谱分辨率提升了约 30 倍。
• 受激辐射的强度比量子点高出 380 倍以上，展现出“巨量激射”行为。
• 在真实激发强度下，spaser 无光学饱和或光漂白现象，可实现稳定、高对比度成像。
• 金纳米核提供强光声与光热信号，支持双模态成像与基于纳米气泡的诊疗一体化。
• 该探针在生理条件下保持生物相容性与可溶性，支持其在体外与体内应用。
• 单脉冲激发实现了快速、实时检测，信噪比高，适用于动态生物医学成像。