表面等离子体共振技术
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。
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 。
▪ 由极化产生的电场Ep为:
p nee
E p 4p 4nee
▪ 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:
nem
d 2
dt 2
neeE p
4ne 2 e 2
或
d 2
dt 2
p2
0
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
目录
3-1 表面等离子体共振(SPR)的产生
3-1-1 SPR简史 3-1-2 金属内部的等离子体振动 3-1-3 金属表面的等离子体振动 3-1-4 产生表面等离子体共振的方法
3-2 SPR传感器的基本概念
3-2-1 传感器的基本原理 3-2-2 传感器的基本结构
▪ 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:
k spw
ms
c
m a m a
▪ 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:
3-2 SPR传感器的基本概念
3-2-1 传感器的基本原理 3-2-2 传感器的基本结构
3-3 典型的SPR传感器及其应用
3-2-1 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
第三章 表面等离子体共振技术
目录
3-1 表面等离子体共振(SPR)的产生
3-1-1 SPR简史 3-1-2 金属内部的等离子体振动 3-1-3 金属表面的等离子体振动 3-1-4 产生表面等离子体共振的方法
3-2 SPR传感器的基本概念
3-2-1 传感器的基本原理 3-2-2 传感器的基本结构
3-3 典型的SPR传感器及其应用
体,而气体放电中的等离子体是一种
金属板中电子气的位移
高温等离子体,电荷密度比金属中的(上)金属离子(+)位于“电子海洋”中(灰
低。
色背景),(下)电子集体向右移动
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
3-1-1 SPR简史
表面等离子体共振(Surface plasmon resonance, SPR),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,Lundström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
p
(
4ne
e
2
)
1 2
m
▪ 等离子体子(plasmon,又称等离激元)的量子能量为:
p
( 4nee2
m
1
)2
▪ 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:
p 10eV
▪ 如果考虑了金属内电子的衰减,弛豫时间为τ,在外电场
E E0 exp( it)
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:
m
d 2
dt 2
m
d 2
dt 2
eE0
exp( it)
▪ 由此可得:
e
m 2
1
1 i
1
E
▪ 代入 p n,ee则复数介电常数
*( )
1
4
*
1
4nee2 m 2
1
1 i
1
1
2 p
2
1
1 i
1
▪ 若忽略衰减,即 时1,有:
▪ 数据采集和处理系统用于采集和处理光检测器产生的电子信号。现在光 检测器越来越多地采用阵列检测器,如光电二极管阵列和电荷耦合器件 ,以便同时检测多个角度或波长处的信号变化。数据采集和处理均由计 算机完成。
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
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。
1.0
0.9
Reflectance
0.8
0.7
0.6
620
640
660
680
700
720
Wavelength / nm
典型的SPR光谱
目录
3-1 表面等离子体共振(SPR)的产生
3-1-1 SPR简史 3-1-2 金属内部的等离子体振动 3-1-3 金属表面的等离子体振动 3-1-4 产生表面等离子体共振的方法
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:
kev
kg
s in 0
a
c
g sin0
▪ 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:
a
c
g
s in 0
ms
c
mns2 m ns2
▪ 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
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
Prism g Metal m Sample s
0
kev ksp
x z
(A) Kretschman
0
k'ev ksp
Prism g Sample s Metal m
(B) Otto
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:
ka
a
c
a
a
c
na
▪ 要使光波和表面等离子体波之间发生共振,必须有:
k spw ka
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。
0
ka
kev=kgsin0
kg kspw
ka kspw kev kg
0
kev=kspw
k
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
*
(
)
1
2 p
2
▪ 根据等离子体理论,产生固体等离子体波应满足
* ( ) 0