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比色等离子体传感器的纳米粒子设计规则

DOI：10.1021/acsanm.0c00475 期刊：ACS Applied Nano Materials 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:19:57
摘要： 局域表面等离子体共振（LSPR）传感器广泛应用于化学、生物、环境及医学领域的多种检测场景。传统此类传感器通过纳米粒子阵列的等离子体共振波长来检测传感器表面折射率变化，因此需要昂贵的光谱仪器进行读数。然而，采用比色测量法——即利用数字纳米粒子图像的R、G、B像素强度量化折射率变化——可实现简单便携且低成本的LSPR传感器。本研究使用R、G、B像素强度量化HSV、CIE L*a*b和rgb色度空间中的颜色坐标。结果表明：对于直径115纳米的纳米粒子传感器，色调（H）是最敏感的颜色参数，其每折射率单位变化量（Δhue/ΔRIU）为0.71，品质因数为183 RIU?1。进一步对比四种不同直径（34.1、59.8、81.5和115纳米）纳米粒子的色调品质因数（FOM）发现，81.5纳米直径时色调灵敏度达到峰值（FOM=222 RIU?1）。相比之下，以Δnm/ΔRIU为单位量化的光谱灵敏度随纳米粒子尺寸持续增大。因此，比色等离子体传感器的设计要求与光谱等离子体传感器存在差异。通过Mie计算模拟纳米粒子消光谱，我们进一步探究了这种尺寸依赖性的差异：虽然λmax对折射率变化呈线性响应，但色调呈现S型曲线响应。这意味着依赖色调测量的比色传感器需谨慎选择纳米粒子尺寸以实现线性传感器响应。我们提供了优化基于色调的比色传感器通用设计准则，并证明该传感器可通过智能手机检测抗体-抗原相互作用。
作者： Isaac Reinhard，Kara Miller，Geneva Diepenheim，Kevin Cantrell，W. Paige Hall
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究比色等离子体传感器的设计规则及其利用智能手机检测抗体-抗原相互作用的应用。

研究成果

研究表明，色调是比色等离子体传感器中最敏感的色彩参数，在纳米粒子直径为81.5纳米时达到最佳灵敏度。比色传感器的设计需要仔细选择纳米粒子尺寸，以确保在所需折射率范围内呈现线性响应。该传感器利用智能手机检测抗体-抗原相互作用的能力，展现了其在便携式生物传感应用中的潜力。

研究不足

该研究的局限性在于所测试的纳米颗粒尺寸范围和探索的折射率范围有限。色调对折射率变化的非线性响应可能会限制传感器的动态范围。

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