内容简介

表面等离子体共振效应（Surface Plasmon Resonance, SPR）能够显著增强光吸收，诱导稳态电子进入激发态形成 “热电子”。在热电子弛豫过程中，局域场增强、载流子浓度涨落、光热转换等物理效应相继发生。其所特有的内禀性质在实现生物分子快速检测、药物精确合成递与送、以及肿瘤无创治疗等方面展现出巨大应用潜力，因此引起了生物医学领域的广泛关注。近日，中国石油工程材料研究院赵宇鑫专家团队与新加坡南洋理工大学赵彦利教授课题组，在国际顶尖学术期刊《Chemical Reviews》联合发表了题为“Hot-Electron Dynamics Mediated Medical Diagnosis and Therapy”的综述文章，本文第一作者为罗兵博士。该文着重介绍了热电子诊疗领域的最新进展，总结了当前面临的重大挑战和潜在解决路径。

图1 热电子动力学介导的医学诊疗

图文解析

热电子动力学基础

热电子通过表面等离激元（Surface Plasmon, SP）的非辐射衰变激发产生，其动力学过程涵盖了从光激发到热弛豫的所有阶段。当前在生物医疗领域广受关注的热电子动力学物理效应主要包括局域场增强、载流子浓度涨落、光热转换，它们受到材料的基本性质和纳米结构的几何特征的影响。精确量化热电子动力学特性，有利于理解等离子体材料的基本性质、构效关系规律以及适配实际诊疗需求的器件设计原则。

热电子动力学的研究中，扫描隧道显微技术已经实现了单分子级别的电磁场探测，表面增强拉曼光谱进一步将空间分辨率提高至亚纳米尺度，而量子点荧光显示技术则在近场分布的直接成像方面具有独特优势。对于热电子输运过程，早期主要利用金属/半导体肖特基纳米二极管的光电流响应获取热电子转移信息，如今通过光电导探针显微镜便可以直接成像热电子传输。此外，瞬态光谱技术的飞秒级时间分辨率对于研究热电子弛豫过程和寿命至关重要，而通过耦合联用单分子结器件可在单电子层面实现热电子能态分布的精细测量。在热效应研究方面，差分扫描量热技术的测试精度当前可以达到pW级，非接触式的分子热探针技术也在纳米尺度热测量中展现了巨大潜力。但受限于等离子体纳米结构的复杂几何构型和需要的超高时空分辨率，通过实验精准测量纳米结构的近场信息、非平衡热电子的超快弛豫过程和瞬态特性，以及纳米尺度下的热量动态传递仍然极具挑战。此外，热电子动力学特性与微观生物作用过程以及与诊疗相关的关联研究尚未得到充分展开，也需要更多的原位探究。

图2 热电子动力学原位探测手段

热电子动力学介导的高效诊断技术

目前，利用热电子动力学各阶段的物理效应，研究人员已经开发了多种类型的等离子体诊断平台。这些等离子体医疗诊断平台具备超灵敏度、强选择性、高可重复性和低成本等优点，可用于生物标记物信息识别和生物微观过程的动力学参数获取。为了适应不同应用场景，可靠的等离子体诊断器件不仅取决于等离子体材料的选择，还需要设计选用合理的SP激发结构（如棱镜型、光栅型、光纤型、消光型和暗场型等）。值得注意的是，微流控技术在医疗诊断中具有显著的潜力。它可以降低生物样本用量，提高样本输送效率和检测响应速度，并有助于构建下一代高度集成、高通量和多分析物感知的便携式诊疗设备。

图3各类集成式诊断平台

基于上述等离子体诊断平台，经热电子动力学效应强化后的折射率漂移量和分子光谱可用于生物目标的超灵敏诊断识别。折射率信号由散射光的波长或角度漂移量表征，其检测限可达纳摩尔级。发展干涉型折射率传感器能继续提升检测灵敏度，此外，还需同步发展表面化学修饰技术提高检测选择性和稳定性。对于增强分子光谱诊断技术，通过被检测分子的光谱指纹特征已经实现了单分子水平的特异性检测。此类诊断技术具有超高的检测灵敏度和空间分辨率，在细胞/亚细胞生物过程的原位探究中作用巨大，在集成个性化微型医疗器件以及构建智能化医疗监控网络方面也极具应用潜力。

图4典型诊断模式分类

热电子动力学介导的医药治疗技术

在药物合成方面，纳米等离子体结构可作为强化单元构筑复合高效催化剂，通过热电子动力学效应加速目标反应进行，从而减少不良副产物的生成，提高目标产品产率。特别是药物筛选领域，将纳米等离子体材料与微流控技术相融合，构建多功能药物合成筛选一体化平台，可实现药物的高通量合成和原位筛选评估。这一方法为提高新药研发效率和降低成本提供了有效途径。

图5药物合成和筛选

在临床救治方面，基于纳米等离子体制剂的光疗法具备多重优点，包括原位可控、无明显耐药性和特异性强。其中，光动力治疗（Photodynamic Therapy, PDT）通过热电子动力学效应生成活性氧以清除靶标，其治疗效果依赖于亚细胞尺度下光敏剂的准确定位以及光敏剂与靶标之间的相互作用。而光热治疗（Photothermal Therapy, PTT）主要依靠热效应产生的局部高温，精准消融肿瘤组织，治疗效果与光热转换效率密切相关。在该领域，PDT和PTT协同提升光疗效率是当前的研究热点之一。另外，热电子能直接诱导活性氧的生成，也可以热弛豫提高局部温度，所以在PTT治疗中，量化PDT和PTT的实际贡献也是挑战之一，这与热电子动力学效应解耦研究的发展程度密切相关。

总结与展望

综上，热电子动力学介导的诊疗领域发展关键，将集中在以下三个方面：（1）新材料设计开发——基于组合材料学思想，建立并行化、自动化和微量化高通量筛选工艺，构建针对不同临床应用场景的配方数据库及高效数据挖掘方法。（2）基础机制原位解耦——定量研究热电子动力学诱导的各类典型物理效应，开发具有高时空分辨率的实验探测技术，原位探究生物分子作用过程和量子生物过程。（3）诊疗器件与系统集成——发展微型器件受限空间内的三维可控组装与复配技术，结合边缘智慧算法与人机交互接口技术，构建实时响应、准确可靠的智慧化个性诊疗装备与一体化网络系统。