SPR

表面等离子体共振Surfaceplasmonresonance组员：李西平梁杰生吴振坤谷祎目录SPR简介仪器介绍SPR应用SPR发展历史表面等离子体共振，又称表面等离子体子共振，表面等离激元共振，是一种物理光学现象，有关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生物学研究的重要工具。1902年，Wood发现光波通过光栅后，光频谱发生了小区域的损失，这是关于表面等离子共振效应的最早记载。我们现在将这种现象称为伍德异常（Wood‘sanomalies）。1907年，Rayleigh用光栅动力学理论解释了伍德异常。1909年，Sommerfeld从麦克斯韦的电磁理论出发，引入了复介电常数的概念，得到了局限在表面附近的电磁波的波解。1941年，Fano用金属与空气界面的表面电磁波激发模型对SPR现象做出了解释。1957年，Ritchie发现，当电子穿过金属薄片时存在数量消失峰，他将这种消失峰称之为“能量降低的”等离子体模式，并指出了这种模式与薄膜边界的关系，第一次提出了用于描述金属内部电子密度纵向波动的“金属等离子体”的概念。1959年，Powell和Swan用高能电子发射法测定了金属铝的特征电子能量损失，其结果可用Ritchie的理论来解释，证实了Ritchie的理论。1968-1971年，Kretschmann和Otto各自利用衰减全反射的方法证实了光激发表面等离子体共振现象的存在。1983年，Liedberg首次将SPR技术应用于IgG与其抗原的反应测定并取得了成功后，SPR以其具有的实时、高效及无损检验等优于其他生物检测的优势，引起了人们越来越浓的兴趣，并逐步在很多领域得到广泛应用。1987年，Knoll等人开始SPR成像研究。1990年，BiacoreAB公司开发出首台商品化SPR仪器。SPR原理什么是等离子体？等离子体=PLASMA=电浆等离子体的发现：等离子体通常指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正、负带电粒子数目几乎相等，是物质存在的一种状态，与固态、液态和气态并列，称为物质的第四态。宇宙中大部分物质处于等离子状态。1879年，英国物理学家WilliamCrookes----物质第四状态1929年，美国化学物理学家Langmuir----等离子体等离子体成分，对外呈现电中性等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统，它的主要特征是：1、离子间存在长程库仑作用。2、等离子的运动与电磁场的运动紧密耦合，形态和性质受外加电磁场的影响强烈。3、存在极其丰富的集体效应和集体运动模式(如各种静电波、漂移波等)。4、等离子体对边界条件十分敏感。什么是金属等离子体？在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成所谓费米电子气。价电子可在晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶格位置上，但总的电子密度和离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性的。我们把它形象地称为“金属离子浸没于电子的海洋中”。这种情况和气体放电中的等离子体相似，把金属表面的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的电子气体，也就相当于等离子体。我们可以把金属看作是一种电荷密度很高的低温（室温）等离子体，而气体放电中的等离子体是一种高温等离子体，电荷密度比金属中的低。等离子波e正电荷过剩区域库仑力引力斥力平衡点电子间相互斥力当金属受到电磁干扰时，金属中的电子密度分布就会变得不均匀。设想在某一区域电子密度低于平均密度，那么就会形成局部的正电荷过剩。这时由于库仑引力作用，会把近邻的电子吸引到该区域，而被吸引的电子由于获得附加的动量，又会使该区域聚集过多的负电荷，然而，由于电子间的排斥作用，使电子再度离开该区域，从而形成价电子相对于正电荷背景的起伏振荡。由于库仑力的长程作用，这种局部的电子密度振荡将形成整个电子系统的集体振荡，即等离子震荡，并以密度起伏的波的形式来表现，称为等离子波。表面等离子体振动产生的电荷密度波，沿着金属和电介质的界面传播，形成表面等离子体波，其场矢量在界面处达到最大，并在两种介质中逐渐衰减。表面等离子体波是TM极化波，即横磁波（TransverseMagneticmode），其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。表面等离子体波（Surfaceplasmawave，SPW）全反射n1sinθ1=n2sinθ2菲涅尔定理：密疏密疏当光从光密介质射入光疏介质（n1＞n2），入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，折射光将完全消失，而只剩下反射光，这种现象叫做全反射。当以波动光学的角度来研究全反射时，人们发现当入射光到达界面时并不是直接产生反射光，而是先透过光疏介质约一个波长的深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质，而光的总能量没有发生改变。则透过光疏介质的波被称为消逝波。界面疏密消逝波表面等离子体波（SPW）的共振激发条件：入射的体电磁波与SPW同时满足动量守恒和能量守恒。表面等离子体共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）：SPR是一种物理光学现象，当一束平面单色偏振光在一定的角度范围内照射到两种不同折射率的介质界面（如玻璃表面的金属银或金镀层）发生全反射时，当入射光的波向量与金属薄膜内表面电子的振荡频率相匹配时，光线即被耦合进入金属膜，引起电子发生共振，即表面等离子体共振。产生表面等离子体共振的方法在半无穷电介质和金属界面处，角频率为的表面等离子体波的波矢量为：式中c是真空中的光速，εm和εa分别是金属和电介质的介电常数。表面等离子体波的波矢量是复数，因为金属的介电常数是复数（εm=εmr+iεmi）。金属的εmr/εmi比高，波矢量的实部分可近似为：amammsspwckamramrmsspwspwckk)Re(电磁波在真空中的速度c与在不导电的均匀介质中的速度v之比称为电介质的折射率n：在光波的频率下，电介质一般为非磁性的，≈1，有：则：频率为ω的通过电介质传递的光的波矢量ka为：vcnn22amramrmsspwnnckaaaaancck要使光波和表面等离子体波之间发生共振，必须有：kkakspwkevkg0kakspw0kev=kgsin0kgkev=kspw但是，电介质中光的（ka）总是在（kspw）的左边，从不交叉，即（kspw）（ka）。因此，电介质中的光不能直接激发表面等离子体子共振（SPR），必须要设法移动（kspw）或（ka）的色散曲线的位置，使两者相交。可利用光学耦合器件，如棱镜、光栅以及光学波导器件达到这一目的。aspwkk棱镜耦合棱镜是SPR研究中应用最为广泛的光学耦合器件。棱镜由高折射率的非吸收性的光学材料构成，其底部镀有厚度为50nm左右的高反射率的金属薄膜（一般为金或银），膜下面是电介质。在SPR传感器中，该电介质即为待测样品。由光源发出的p-偏振光以一定的角度θ0入射到棱镜中，在棱镜与金属的界面处将发生反射和折射。当θ0大于临界角θc时，光线将发生全内反射，即全部返回到棱镜中，然后，从棱镜的另一个侧面折射出去。这里入射光应当用p-偏振光，因为其电场分量与界面垂直，这与表面等离子体波的情况一致。在全内反射的情况下，电场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失波。该消失波沿X轴方向传播的与表面平行的波矢分量kev为：通过调节θ0或ωa，可使kev=kspw，消失波与表面等离子体波共振，即表面等离子体子共振，有：由上式可见，若入射光的波长一定，即ωa一定时，ns改变，则必须改变θ0以满足共振条件；若θ0一定时，ns改变，则必须改变ωa以满足共振条件，这可通过改变入射光的波长λ来实现。此时θ0和λ分别称为共振角和共振波长。00sinsingagevckk220sinsmsmmsganncc典型的SPR光谱Wavelength/nm620640660680700720Reflectance0.60.70.80.91.0SPR传感器的基本原理表面等离子体子共振的产生与入射光的角度θ、波长、金属薄膜的介电常数s及电介质的折射率ns有关，发生共振时θ和分别称为共振角度和共振波长。对于同一种金属薄膜，如果固定θ，则与ns有关；固定，则θ与ns有关。如果将电介质换成待测样品，测出共振时的θ或，就可以得到样品的介电常数s或折射率ns；如果样品的化学或生物性质发生变化，引起ns的改变，则θ或也会发生变化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的SPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的SPR光谱。SPR光谱的改变反映了体系性质的变化。ThankYou2012.5.14