第3章-表面等离子体共振技术.pptVIP

目 录 3-1-1 SPR简史 1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象 1941年，Fano解释了SPR现象 1971年，Kretschmann结构为SPR传感器奠定了基础 1982年，Lundstr?m将SPR用于气体的传感（第一次） 1983年，liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定 1987年，Knoll等人开始SPR成像研究 1990年，Biacore AB公司开发出首台商品化SPR仪器 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。人们把这种情况形象地称为“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，因此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。 五十年代，为了解快速电子穿过金属箔时的能量损失，人们进行了大量的实验和理论工作。Pine和Bohm认为，其中能量损失的部分原因是激发了金属箔中电子的等离子体振动（Plasma oscillation），又称为等离子体子（plasmon）。Ritchie从理论上探讨了无限大纯净金属箔中由于等离子体振动而导致的电子能量损失，同时也考虑了有限大金属箔的情况，指出：不仅等离子体内部存在角频率为ωp的等离子体振动，而且在等离子体和真空的界面，还存在表面等离子体振动（Surface plasma oscillation），其角频率为 。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，其实验结果可用Ritchie的理论来解释。Stern和Ferrell将表面等离子体振动的量子称为表面等离子体子（Surface plasmon），研究了金属表面有覆盖物时的表面等离子体振动，发现金属表面很薄的氧化物层也会引起这种振动的明显改变。他们还预言：由于表面等离子体振动对表面涂层的敏感，那么通过选择合适的涂层，表面特征能量损失的值会在一定范围内发生变化。 除电子以外，用电磁波，如光波，也能激发表面等离子体振动。二十世纪初，Wood 首次描述了衍射光栅的反常衍射现象，这实际上就是由于光波激发了表面等离子体振动所致。六十年代晚期，Kretschmann 和Otto采用棱镜耦合的全内反射方法，实现了用光波激发表面等离子体振动，为SPR技术的应用起了巨大的推动作用。他们的实验方法简单而巧妙，仍然是目前SPR装置上应用最为广泛的技术。 3-1-2 金属内部的等离子体振动 因为金属中的价电子可以自由移动，入射光可能激起电子气的纵向振动。 如果由于入射电子的作用，金属中电子向右移动了一段距离?，因此在右边就有了电子堆积。设ne为电子密度，右边出现的面电荷密度为-nee?，左边的面电荷密度为+nee?，则金属的极化强度p为： 由极化产生的电场Ep为: 在这个电场的作用下，电子有向左移的倾向，于是产生了振动。如果不考虑振动能量的衰减，单位体积内的电子气的振动方程式为： 式中m为电子的质量，e为电子的电荷量，?p为无衰减时的等离子体振动的角频率，则 等离子体子（plasmon，又称等离激元）的量子能量为： 对金属来说，ne≈1023/cm3，将此值代入式（5-6），可得金属中等离子体子的量子能量约为： 如果考虑了金属内电子的衰减，弛豫时间为τ，在外电场 的存在下，电子只沿z方向运动，则电子的运动方程（Drude方程）为： 由此可得： 代入 ，则复数介电常数 若忽略衰减，即 时，有： 根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足 3-1-3 金属表面的等离子体振动 上节所述的是金属内部的等离子体振动，即体积等离子体振动（Volume plasma oscillation）。而在金属表面也存在电荷密度振动，称为表面等离子体振动，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?的薄层，则这种特殊表面的等离子体振动的角频率?ms为： 3-1-4 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