等离子激元共振讲义

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1、表面等离激元共振法测液体折射率实验实验目的：1、了解全反射中倏逝波的概念2、观察表面等离激元共振现象，研究其共振角随折射率的变化3、进一步熟悉和了解分光计的调节和使用4、了解和掌握共振角测量的方法，以及计算折射率的原理和方法实验简介：早在1902年Wood就在光学实验中首次发现了表面等离激元共振（SurfacePlasmonResonance,SPR）现象，1941年Fano根据金属和空气界面上电磁波的激发解释了这一SPR现象，随后就提出了体积等离子体子（激元）的概念，认为这是金属中体积电子密度的一种纵向波动。Ritchie注意到当高能电子通过金属薄片时，不仅在体积等离子体子频率处有

2、能量损失峰，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。1959年Powell和Swan通过实验验证了Ritchie理论。1960年Stern和Farrell研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离子体子（SP）的概念。1971年Kretschmann为SPR传感器结构技术奠定了基础,1983年Liedburg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定，1987年Knoll等人开始了SPR成像的研究，1990年BiocareAB公司开发出首台商品化SPR仪器。表面等离激元共振技术终于在20世纪90年代成功发展起来，成为应用SPR原理检测生物传感芯片上配位体与分析物作用

3、的一种新技术。表面等离激元共振是一种能够适合探测金属表面的分子相互作用的量子光电现象。理论上，一个表面全内部反射的光诱发从表面延伸的倏逝波，平行于正常的波。这个倏逝场是由于光的波性质和强度随着表面距离增加而呈指数递增。在波导/金属表面相交处，从波导延伸的倏逝场能够以具体的入射角耦合到电磁表面波，这个角称为表面等离激元共振（SPR）角。在这个角，光能量能够转换到传导金属膜片，因为共振频率是一样的，因此创建了一个表面等离激元。因为能量被吸收了，光的反射强度显示了在表面等离激元共振（SPR）发生的角的地方下降。倏逝场起着表面的探测杆作用，因为表面等离激元共振（SPR）角对于折射率的变化相当

4、敏感。表面等离激元5共振（SPR）角的转换因此用于探测表面的折射率（RI）的变化，这个折射率（RI）的变化直接与表面粘和的分析物的浓度成正比例。SPR的共振角或共振波长与金属薄膜表面的性质密切相关，如果在金属薄膜表面附着被测物质（一般为溶液或者生物分子），会引起金属薄膜表面折射率的变化，从而SPR光学信号发生改变，根据这个信号，就可以获得被测物质的折射率或浓度等信息，达到生化检测的目的。SPR传感技术是一项新兴的生物化学检测技术。自从Nylander和Liedberg于1982年首次将SPR传感技术用于气体检测和生物传感器中，20年来，SPR传感技术在实现方式、仪器开发和应用领域扩展

5、上都获得了飞速的发展。与传统的生化分析方法相比，SPR传感技术具有以下几个显著的优点：（1）免标记检测。SPR传感技术对被测物质的折射率非常敏感，它与荧光分析或ELISA检测方法不同，省去了样品纯化和材料标记等样品准备步骤，大大节省了额外的时间，并消除了标记物对反应造成干扰的可能性；另外，它可以观察每个实验步骤对反应的影响，而不像其他实验方法只能得到实验的最终结果。（2）实时检测。采用SPR传感技术，反应的进展情况可以直接地显示在计算机屏幕上，这种对实验步骤地实时反馈，加快了实验开发和分析的速度。最为吸引人的是，SPR传感技术可以对反应进行动力学参数分析，这是其他分析方法所无法比拟的

6、。（3）无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至是混浊或不透明的样品，也同样可以进行检测。传统的分析方法局限于体外实验或使用离体器官进行，例如X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）以及次级离子质谱（SIMS）等，不仅费用比较昂贵，设备庞大，灵敏度有限，而且都不能研究有关动力学过程。与传统技术相比，SPR技术的优点极为明显。SPR分析技术的出现，大大加快和优化了免疫测定过程，更为DNA和蛋白质之间的研究带来了重大突破。几十年来，DNA和蛋白质之间相互作用，特别是其反应动力学的测定一直没有简便快

7、捷的方法，而SPR技术解决了这一难题。5由于SPR传感技术与其他传统分析方法相比，有着无可比拟的独特优点，它在药物筛选、环境监测、生物科技、毒品及食品检测等许多重要领域有着巨大的市场潜力，并且保持着快速的发展。实验原理：在电磁场的作用下，材料中的自由电子会在金属表面发生集体振荡，产生表面等离激元（SurfacePlasmon）；共振状态下电磁场的能量被有效转换为金属表面自由电子的集体振动能。当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2的光疏介质发生全