等離子激元共振講義

1、表面等離激元共振法測液體折射率實驗實驗?zāi)康模?、了解全反射中倏逝波的概念2、觀察表面等離激元共振現(xiàn)象，研究其共振角隨折射率的變化3、進(jìn)一步熟悉和了解分光計的調(diào)節(jié)和使用4、了解和掌握共振角測量的方法，以及計算折射率的原理和方法實驗簡介：早在1902年Wood就在光學(xué)實驗中首次發(fā)現(xiàn)了表面等離激元共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）現(xiàn)象，1941年Fano根據(jù)金屬和空氣界面上電磁波的激發(fā)解釋了這一SPR現(xiàn)象，隨后就提出了體積等離子體子（激元）的概念，認(rèn)為這是金屬中體積電子密度的一種縱向波動。Ritchie注意到當(dāng)高能電子通過金屬薄片時，不僅在體積等離子體子頻率處有能量損

2、失峰，在更低頻率處也有能量損失峰，并認(rèn)為這與金屬薄膜的界面有關(guān)。1959年P(guān)owell和Swan通過實驗驗證了Ritchie理論。1960年Stern和Farrell研究了此種模式產(chǎn)生共振的條件并首次提出了表面等離子體子（SP）的概念。1971年Kretschmann為SPR傳感器結(jié)構(gòu)技術(shù)奠定了基礎(chǔ),1983年Liedburg將SPR用于IgG與其抗原的反應(yīng)測定，1987年Knoll等人開始了SPR成像的研究，1990年Biocare AB公司開發(fā)出首臺商品化SPR儀器。表面等離激元共振技術(shù)終于在20世紀(jì)90年代成功發(fā)展起來，成為應(yīng)用SPR原理檢測生物傳感芯片上配位體與分析物作用的一種新技術(shù)。

3、表面等離激元共振是一種能夠適合探測金屬表面的分子相互作用的量子光電現(xiàn)象。理論上，一個表面全內(nèi)部反射的光誘發(fā)從表面延伸的倏逝波，平行于正常的波。這個倏逝場是由于光的波性質(zhì)和強(qiáng)度隨著表面距離增加而呈指數(shù)遞增。在波導(dǎo)/金屬表面相交處，從波導(dǎo)延伸的倏逝場能夠以具體的入射角耦合到電磁表面波，這個角稱為表面等離激元共振（SPR）角。在這個角，光能量能夠轉(zhuǎn)換到傳導(dǎo)金屬膜片，因為共振頻率是一樣的，因此創(chuàng)建了一個表面等離激元。因為能量被吸收了，光的反射強(qiáng)度顯示了在表面等離激元共振 （SPR）發(fā)生的角的地方下降。倏逝場起著表面的探測桿作用，因為表面等離激元共振（SPR）角對于折射率的變化相當(dāng)敏感。表面等離激元共振

4、（SPR）角的轉(zhuǎn)換因此用于探測表面的折射率（RI）的變化，這個折射率（RI）的變化直接與表面粘和的分析物的濃度成正比例。SPR的共振角或共振波長與金屬薄膜表面的性質(zhì)密切相關(guān)，如果在金屬薄膜表面附著被測物質(zhì)（一般為溶液或者生物分子），會引起金屬薄膜表面折射率的變化，從而SPR光學(xué)信號發(fā)生改變，根據(jù)這個信號，就可以獲得被測物質(zhì)的折射率或濃度等信息，達(dá)到生化檢測的目的。SPR傳感技術(shù)是一項新興的生物化學(xué)檢測技術(shù)。自從Nylander和Liedberg于1982年首次將SPR傳感技術(shù)用于氣體檢測和生物傳感器中，20年來，SPR傳感技術(shù)在實現(xiàn)方式、儀器開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展上都獲得了飛速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的生化

5、分析方法相比，SPR傳感技術(shù)具有以下幾個顯著的優(yōu)點：（1）免標(biāo)記檢測。SPR傳感技術(shù)對被測物質(zhì)的折射率非常敏感，它與熒光分析或ELISA檢測方法不同，省去了樣品純化和材料標(biāo)記等樣品準(zhǔn)備步驟，大大節(jié)省了額外的時間，并消除了標(biāo)記物對反應(yīng)造成干擾的可能性；另外，它可以觀察每個實驗步驟對反應(yīng)的影響，而不像其他實驗方法只能得到實驗的最終結(jié)果。（2）實時檢測。采用SPR傳感技術(shù)，反應(yīng)的進(jìn)展情況可以直接地顯示在計算機(jī)屏幕上，這種對實驗步驟地實時反饋，加快了實驗開發(fā)和分析的速度。最為吸引人的是，SPR傳感技術(shù)可以對反應(yīng)進(jìn)行動力學(xué)參數(shù)分析，這是其他分析方法所無法比擬的。（3）無損傷檢測。SPR傳感技術(shù)是一種光學(xué)

6、檢測方法，光線在傳感芯片表面被反射回來，并不與被測物接觸；由于光線并不是穿透樣品，甚至是混濁或不透明的樣品，也同樣可以進(jìn)行檢測。傳統(tǒng)的分析方法局限于體外實驗或使用離體器官進(jìn)行，例如X射線光電子能譜（XPS）、俄歇電子能譜（AES）以及次級離子質(zhì)譜（SIMS）等，不僅費(fèi)用比較昂貴，設(shè)備龐大，靈敏度有限，而且都不能研究有關(guān)動力學(xué)過程。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，SPR技術(shù)的優(yōu)點極為明顯。SPR分析技術(shù)的出現(xiàn)，大大加快和優(yōu)化了免疫測定過程，更為DNA和蛋白質(zhì)之間的研究帶來了重大突破。幾十年來，DNA和蛋白質(zhì)之間相互作用，特別是其反應(yīng)動力學(xué)的測定一直沒有簡便快捷的方法，而SPR技術(shù)解決了這一難題。由于SPR傳感技

7、術(shù)與其他傳統(tǒng)分析方法相比，有著無可比擬的獨特優(yōu)點，它在藥物篩選、環(huán)境監(jiān)測、生物科技、毒品及食品檢測等許多重要領(lǐng)域有著巨大的市場潛力，并且保持著快速的發(fā)展。實驗原理： 在電磁場的作用下，材料中的自由電子會在金屬表面發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生表面等離激元（Surface Plasmon）；共振狀態(tài)下電磁場的能量被有效轉(zhuǎn)換為金屬表面自由電子的集體振動能。當(dāng)入射光從折射率為n1的光密介質(zhì)照射到折射率為n2的光疏介質(zhì)發(fā)生全反射時，在2 種介質(zhì)的交界面處將同時發(fā)生折射和反射，當(dāng)入射角大于臨界角c時,將發(fā)生全反射，在全內(nèi)反射（Total Internal Reflected, TIR）條件下，入射光的能量沒有損失，

8、但光的電場強(qiáng)度在界面處并不立即減小為零，而會滲入光疏介質(zhì)中產(chǎn)生消失波，光波并不是絕對地在界面上被全反射回光密介質(zhì)，而是滲入光疏介質(zhì)大約一個波長的深度，并沿著界面流過波長量級距離重新返回光密介質(zhì)，沿著反射光方向射出。這個沿著光疏介質(zhì)表面流動的波稱為倏逝波。對于倏逝波在金屬內(nèi)部的分布是隨著與表面垂直距離z的增大而呈指數(shù)衰減，即 (1)其中 (是光在真空中的波長)是倏逝波滲入光疏介質(zhì)的有效深度(光波的電場衰減至表面強(qiáng)度的1/e時的深度)。可見入射的有效深度d 不受入射光偏振化程度的影響，除，的特殊條件外（為布儒斯特角），d 隨著入射角的增加而減小，其大小是的數(shù)量級甚至更小。因為倏逝波的存在，在界面處

9、發(fā)生全內(nèi)反射的光線，實際上在光疏介質(zhì)中產(chǎn)生大小約為半個波長的位移后又返回光密介質(zhì)。若光疏介質(zhì)很純凈，不存在對倏逝波的吸收或散射，則內(nèi)部的全反射光并不會衰減。反之，若光疏介質(zhì)不純凈，全反射光的強(qiáng)度將會被衰減，這種現(xiàn)象稱為衰減全內(nèi)反射（反射率出現(xiàn)最小值）。表面等離激元共振（surface plasmon resonance, SPR）是倏逝波以衰減全反射的方式激發(fā)表面等離激元波（surface plasmon wave，SPW），當(dāng)SPW波矢與倏逝波的波矢大小相等、方向相同時，產(chǎn)生共振，導(dǎo)致入射光的反射光強(qiáng)降至最低。如果在兩種介質(zhì)界面之間存在幾十納米的金屬薄膜，那么全反射時產(chǎn)生的倏逝波（Evane

10、scent Wave）的P偏振分量（P波）將會進(jìn)入金屬薄膜，與金屬薄膜中的自由電子相互作用，激發(fā)出沿金屬薄膜表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體波（Surface Plasmon Wave，SPW）。當(dāng)入射光的角度或波長到某一特定值時，入射光的大部分會轉(zhuǎn)換成SPW的能量，從而使全反射的反射光能量突然下降，在反射譜上出現(xiàn)共振吸收峰，此時入射光的角度或波長稱為SPR的共振角或共振波長。SPR的共振角或共振波長與金屬薄膜表面的性質(zhì)密切相關(guān)，如果在金屬薄膜表面附著被測物質(zhì)（一般為溶液或者生物分子），會引起金屬薄膜表面折射率的變化，從而SPR光學(xué)信號發(fā)生改變，根據(jù)這個信號，就可以獲得被測物質(zhì)的折射率或濃度等信息，達(dá)到

11、生化檢測的目的。Kx電介質(zhì)金屬膜柱面棱鏡反射光入射光KspSPW表面等離激元(SP)是沿著金屬和電介質(zhì)之間的界面?zhèn)鞑サ碾姶挪ㄋ纬傻?。?dāng)P偏振光以表面等離激元共振角入射到界面上，將發(fā)生衰減全反射：入射光被耦合到表面等離激元內(nèi)，光能被大量吸收，在這個角度上由于發(fā)生了表面等離激元共振從而使得反射光顯著減少。光在界面處發(fā)生全內(nèi)反射時的倏逝波，可以引發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生表面等離激元。在入射角或波長為適當(dāng)值時，表面等離激元與倏逝波的頻率相等，兩者之間發(fā)生共振。入射光被吸收，使反射光能量急劇下降，在反射光譜上出現(xiàn)共振吸收峰，這就是表面等離激元共振現(xiàn)象。在入射光波長固定的情況下，通過改變?nèi)肷浣?，也可以實現(xiàn)角度指示型表面等離激元共振。如圖所示，當(dāng)P偏振光（振動方向在入射面內(nèi)）通過柱面棱鏡照射到金屬表面時，入射光波矢k在x方向上的投影kx為 (2)式中，是入射光在自由空間中的波矢，是入射光在自由空間中的波長，是柱面棱鏡的折射率（折射率有實部、虛部，本實驗所指折射率均指折射率的實部），為入射角。根據(jù)Maxwell方程，可以推導(dǎo)出表面等離激元波的波矢ksp（如圖的所示）的模為 (3)其中，是金屬的介電常數(shù)，ns是待研究介質(zhì)的折射率。當(dāng)kxksp時，入射光波就會在金屬表面形成表面等離激元共振。 (4)上式就是產(chǎn)生SPR現(xiàn)象的條件。采用角度指示型檢測方式