第四章_表面等离子体共振技术总结..doc

第四章 表面等离子体共振技术 --学习总结 通过表面等离子体共振技术的学习，我主要掌握了以下的一些基本知识： 一、金属表面的等离子体振动 表面等离子体振动，其角频率ωs与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系： 若金属表面覆盖有介电常数为e的薄层，则这种特殊表面的等离子体振动的角频率wms为： 二、产生表面等离子体共振的方法 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（Surface plasma wave，SPW），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，即横波，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。 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： 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，m≈1，有： 则： 频率为ω的通过电介质传递的光的波矢量ka为： 要使光波和 表面等离子体波之间发生共振，必须有： 但是，电介质中光的w（ka）总是在w（kspw）的左边，从不交叉，即w（kspw）w（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w（kspw）或w（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。 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。 右图为典型的SPR光谱 三、SPR传感器 1、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l、金属薄膜的介电常数es及电介质的折射率ns有关，发生共振时θ和l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l与ns有关；固定l，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l，就可以得到样品的介电常数es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l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。 2、基本结构 一般来说，一个SPR传感器的包括：光学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。 敏感元件主要指金属薄膜及其表面修饰的敏感物质，用于将待测对象的化学或生物信息转换成折射率的变化，是SPR传感器的关键。从SPR的原理可知，实际上是样品的折射率的变化引起SPR光谱的变化。 4种检测方式： 1.角度调制：固定λin，改变θin 2.波长调制：固定θin ，改变λin 3.强度调制：固定θin 、λin，改变光强 4.相位调制：固定θin 、λin，测相差 3、应用 用SPR可获得的信息： 1.两个分子之间结合的特异性 2.目标分子的浓度 3.结合以及解离过程的动力学参数 4.结合的强度 4、优缺点 优点：1.待测物无需标记 2.适用于混浊、不透明或者有色溶液 3.能实时、连续监测反应动态过程 4.检测方便、快捷 5.应用范围广 缺点：1.难以区分非特异性吸附 2.对温度、样品组成等干扰因素敏感 5.发展动态 提高检测灵敏度 高通量检测（SPR imaging） 与质谱等高分辨仪器联用 敏感器件及测量装置的微型化 表面等离子体共振技术应用十分广泛，以下举例说明： 1、表面等离子体共振技术快速筛检人血清蛋白质表达的方法应用建立用表面等离子体共振(surface plasmon resonance,SPR)技术快速筛