表面等离子体共振技术-北京大学单分子与纳米生物学试验室.PPT

* 用于产生衰减全反射(ATR) 的棱镜型装置有Otto 型和Kretschmann 型 两种装置检测的都是P 偏振入射光的衰减全反射, 均使用三角形或半球形棱镜。制作棱镜的材料为折射率(ε0 ) 较大的石英或普通光学玻璃, 图中kx 和ksp分别表示光和表面等离子体子的波矢。 对于Otto 型, 在棱镜(ε0 ) 底面与金属膜(ε1 ) 之间有一适当的间隙, 将待测定物质(ε2 )置于此间隙中。在入射光角度大于临界角的条件下, 入射光将在0P2 界面发生全内反射, 而消失波作用于2P1 界面, 并在此界面发生SPR。该装置的间隙取值非常重要, 间隙过大或过小都不好。因为Otto 型装置在使用和制作上都有一定难度, 故在SPR 中使用较少。但它有两个十分明显的优点,即: (1) 金属薄膜不与棱镜直接接触, 不会对棱镜表面产生破坏作用, 因此在研究单晶表面光子的极化作用时非常有用; (2) 由于共振发生在2P1 界面, 金属膜的厚度对共振过程影响较小, 故不需要严格限制金属膜的厚度。 Kretschmann 型装置是将几十纳米厚的金属薄膜直接覆盖在棱镜的底部, 待研究的介质在金属薄膜下面, 消失波透过金属薄膜, 在1P2 界面处发生表面等离子体子共振。金属薄膜的厚度会对测定结果产生重要影响, 因为它直接影响在界面1P2 处消失波电场强度的大小。若厚度超过消失波的有效深度, 则消失波在金属膜内会有很大衰减, 不能到达1P2 界面。若金属膜过薄, 不能达到最佳共振效果。Kretschmann 装置在目前的表面等离子体子共振仪器中被广泛采用。 * * 棱镜耦合的SPR 传感器体积较大,不能用于远程传感测量。Jorgenson[3 ] 等人为此提出了一种非常巧妙的构思,使用单根多模光导纤维作为光学耦合元件,省略了传统光学棱镜,装置简单价廉,可用于遥测和多路传输。他们提出了两种光导纤维SPR 传感装置。一种是在线传输式,另一种是终端反射式。 该模式是将一段光导纤维的包层剥去, 在光纤芯核上沉积一层高反射率金属膜。普通石英阶梯指数光纤数值孔径一般为013 , 光纤内部可传播光线的角度范围为7815ü～90ü。在此角度范围, 光线在光纤芯核与包层的界面上发生全内反射, 渗透过界面的消失波将在金属膜中引发表面等离子体子, 并在满足一定条件下与之共振。 经理论计算, 对于入射角在7815ü～90ü范围内的光线,若金属膜为银膜,外部介质为水,则可产生共振的入射光波长范围为560～620nm。采用白色光源引发表面等离子体子共振,在光纤的出口端检测输出光强度与波长分布的关系。由于光纤中的传输角度不是固定的,所以出口端检测的是全部入射角的累积光谱。 * * 终端反射式SPR 光纤传感器见图 其构造方式是, 在光纤的一个端面上沉积一层较厚的金属膜, 厚度可达300nm , 制成微反射镜。将此端一段长5mm 左右的光纤包层剥去, 并沉积50nm左右金属膜。在光线传输过程中, 当满足一定条件时, 将会产生表面等离子体子共振。共振光传输至端面处沿来路被反射回去。光线经过第二次共振后, 传输到光纤光谱仪进行检测。与前述传输式装置相比较, 这种装置由于发生两次共振, 传感部位的光纤长度可减少1P2 , 并且省略了流通池,因此可以作为一种光纤探针用于远距离测试。 * * 大多数SPR 装置采用棱镜耦合入射光, 而不用衍射光栅, 因为前者相对较简单。1987 年Tiefenthaler等人首次提出以衍射光栅作为光波耦合元件的SPR 传感器。其后, 又相继有一些以衍射光栅作为光学耦合元件的研究报道。光栅表面光波衍射示意图见图 棱镜耦合SPR 有大量文献报道,与此相比较,光栅耦合SPR 的研究工作显然较少。其原因是,除在光栅制作方面有一定难度外,在分析应用上也存在一定的问题。光线透过的样品溶液,如果是无色的,影响可能较小。而如果样品溶液是有色的,则将对光产生吸收,从而影响SPR 的测量。尽量减小样品池的厚度,可在一定程度上减小这种影响。 与棱镜耦合入射光方式相比较,光栅耦合法在数学计算方面极其复杂。最近,Homola[18 ] 等人从理论上分析比较了SPR 衍射光栅耦合法与棱镜耦合法的灵敏度。他们选用了改变入射角和改变入射光波长两种测量方式。以波长作为变量时,棱镜耦合法的灵敏度高于光栅耦合法。以角度作为变量时,棱镜耦合与平面光栅耦合具有相似的灵敏度。但是,若采用曲面衍射光栅,则情况不同,它可提供很高的信噪比,因此,在测定SPR 峰位置变化方面,能获得很高的灵敏度,测量结果远高于棱镜耦合方法。 * * 固定波长、改变入射角测量方式的SPR 装置多采用He2Ne 激光器(λ= 63218nm) 作为光源。用激光器作光源, 单色性好, 强度高。在一部分文献中, 发光二极管(LE