Поверхностный плазмонный резонанс - Википедия - Surface plasmon resonance

Поверхностный плазмонный резонанс (ППР).

Поверхностный плазмонный резонанс (SPR) - резонансные колебания электронов проводимости на границе между отрицательной и положительной диэлектрическая проницаемость материал стимулируется падающим светом. SPR является основой многих стандартных инструментов для измерения адсорбция материала на плоские металлические (обычно золотые или серебряные) поверхности или на поверхность металла наночастицы. Это основополагающий принцип многих цветных биосенсор приложения, разные лаборатория на кристалле сенсоры и фотосинтез диатомовых водорослей.

Объяснение

В поверхностный плазмон-поляритон безызлучательный электромагнитная поверхностная волна который распространяется в направлении, параллельном границе раздела отрицательная диэлектрическая проницаемость / диэлектрический материал. Поскольку волна находится на границе проводника и внешней среды (например, воздуха, воды или вакуума), эти колебания очень чувствительны к любому изменению этой границы, например к адсорбции молекул на проводящей поверхности.^[1]

Для описания существования и свойств поверхностных плазмон-поляритонов можно выбирать из различных моделей (квантовая теория, Модель Друде, так далее.). Самый простой способ подойти к проблеме - рассматривать каждый материал как однородный континуум, описываемый частотно-зависимым относительная диэлектрическая проницаемость между внешней средой и поверхностью. Это количество, далее именуемое «материалы»диэлектрическая функция ", это комплексная диэлектрическая проницаемость. Чтобы термины, описывающие электронный поверхностный плазмон Чтобы существовать, действительная часть диэлектрической проницаемости проводника должна быть отрицательной, а ее величина должна быть больше, чем у диэлектрика. Это условие выполняется в инфракрасном и видимом диапазоне длин волн для границ раздела воздух / металл и вода / металл (где реальная диэлектрическая проницаемость металла отрицательна, а диэлектрическая проницаемость воздуха или воды положительна).

LSPR (локализованный поверхностный плазмон резонансы) - коллективные колебания заряда электронов в металлических наночастицах, возбуждаемых светом. Они демонстрируют повышенную амплитуду ближнего поля на резонансной длине волны. Это поле сильно локализовано на наночастице и быстро затухает вдали от границы раздела наночастица / диэлектрик на диэлектрический фон, хотя рассеяние частицами в дальней зоне также усиливается за счет резонанса. Повышение интенсивности света является очень важным аспектом LSPR, и локализация означает, что LSPR имеет очень высокое пространственное разрешение (субволновой), ограниченное только размером наночастиц. Из-за увеличенной амплитуды поля эффекты, которые зависят от амплитуды, такие как магнитооптический эффект, также усиливаются LSPR.^[2]^[3]

Реализации

Конфигурация Отто

Конфигурация Кречмана

Для резонансного возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов можно использовать бомбардировку электронами или падающие волны. луч света (типичны видимые и инфракрасные изображения). Входящий луч должен соответствовать его импульс к плазмону.^[4] В случае p-поляризованный света (поляризация происходит параллельно плоскости падения), это возможно, пропуская свет через стеклянный блок для увеличения волновое число (и импульс ) и достичь резонанса при заданной длине волны и под заданным углом. S-поляризованный свет (поляризация происходит перпендикулярно плоскости падения) не может возбуждать электронные поверхностные плазмоны. Электронные и магнитные поверхностные плазмоны подчиняются следующему соотношение дисперсии:

{ displaystyle к ( omega) = { frac { omega} {c}} { sqrt { frac { varepsilon _ {1} varepsilon _ {2} mu _ {1} mu _ {2 }} { varepsilon _ {1} mu _ {1} + varepsilon _ {2} mu _ {2}}}}}

где k ( ${ displaystyle omega}$ ) - волновой вектор, ${ displaystyle epsilon}$ - относительная диэлектрическая проницаемость, а ${ displaystyle mu}$ относительная проницаемость материала (1: стеклянный блок, 2: металлическая пленка), а ${ displaystyle omega}$ угловая частота и ${ displaystyle {c}}$ это скорость света в вакууме.

Типичными металлами, поддерживающими поверхностные плазмоны, являются серебро и золото, но также использовались такие металлы, как медь, титан или хром.

При использовании света для возбуждения SP-волн существуют две хорошо известные конфигурации. в Конфигурация Отто, свет освещает стену стеклянного блока, обычно призму, и полностью внутренне отраженный. Тонкая металлическая пленка (например, золото) располагается достаточно близко к стенке призмы, чтобы мимолетная волна могут взаимодействовать с плазменными волнами на поверхности и, следовательно, возбуждать плазмоны.^[5]

в Конфигурация Кречмана (также известен как Конфигурация Кречмана-Ретера) металлическая пленка напыляется на стеклянный блок. Свет снова освещает стеклянный блок, и исчезающая волна проникает через металлическую пленку. Плазмоны возбуждаются на внешней стороне пленки. Эта конфигурация используется в большинстве практических приложений.^[5]

Излучение SPR

Когда поверхностная плазмонная волна взаимодействует с локальной частицей или неоднородностью, такой как шероховатая поверхность, часть энергии может переизлучаться в виде света. Этот излучаемый свет можно обнаружить позади металлическая пленка с разных сторон.

Приложения

Схема датчика, использующего поверхностный плазмонный резонанс

Поверхностные плазмоны использовались для повышения поверхностной чувствительности нескольких спектроскопических измерений, включая флуоресценция, Рамановское рассеяние, и генерация второй гармоники. Однако в своей простейшей форме измерения отражательной способности ППР можно использовать для обнаружения молекулярной адсорбции, такой как полимеры, ДНК или белки и т. Д. Технически обычно измеряют угол минимального отражения (угол максимального поглощения). Этот угол изменяется примерно на 0,1 ° при адсорбции тонкой (толщиной около нм) пленки. (См. Также Примеры.) В других случаях отслеживают изменения длины волны поглощения.^[6] Механизм обнаружения основан на том, что адсорбирующие молекулы вызывают изменения локального показателя преломления, изменяя условия резонанса поверхностных плазмонных волн. Тот же принцип используется в недавно разработанной конкурентной платформе на основе диэлектрических многослойных слоев без потерь (DBR ), поддерживающие поверхностные электромагнитные волны с более резкими резонансами (Блоховские поверхностные волны ).^[7]

Если на поверхность нанесен рисунок из различных биополимеров с использованием соответствующей оптики и датчиков изображения (например, камеры), метод можно расширить до поверхностная плазмонная резонансная томография (SPRI). Этот метод обеспечивает высокий контраст изображений в зависимости от количества адсорбированных молекул, что в некоторой степени похоже на Угол Брюстера микроскопия (последняя чаще всего используется вместе с Желоб Ленгмюра – Блоджетт ).

Для наночастиц локализованные поверхностные плазмонные колебания могут вызывать интенсивные цвета подвески или же золы содержащий наночастицы. Наночастицы или нанопроволоки благородных металлов демонстрируют прочную полосы поглощения в ультрафиолетовый –видимый свет режим, которых нет в массивном металле. Это необычайное увеличение поглощения было использовано для увеличения поглощения света в фотоэлектрических элементах путем осаждения металлических наночастиц на поверхности элемента.^[8] Энергия (цвет) этого поглощения различается, когда свет поляризуется вдоль или перпендикулярно нанопроволоке.^[9] Сдвиги в этом резонансе из-за изменений в локальном показателе преломления при адсорбции на наночастицы также могут быть использованы для обнаружения биополимеров, таких как ДНК или белки. Связанные дополнительные методы включают резонанс плазмонного волновода, QCM, необыкновенная оптическая передача, и двухполяризационная интерферометрия.

Иммуноферментный анализ SPR

Первый SPR иммуноанализ был предложен в 1983 году Лидбергом, Нюландером и Лундстремом, тогда Линчёпингский технологический институт (Швеция).^[10] Они адсорбируют человека IgG на серебряную пленку толщиной 600 ангстрем и использовали анализ для обнаружения антител к человеческому IgG в водном растворе. В отличие от многих других иммуноанализов, таких как ELISA, иммуноферментный анализ SPR этикетка бесплатно в этом молекула метки не требуется для обнаружения аналита.^[11] Кроме того, измерения SPR можно отслеживать в реальном времени, что позволяет отслеживать отдельные этапы последовательных событий связывания, что особенно полезно при оценке, например, сэндвич-комплексов.

Характеристика материала

Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс, специальная конфигурация SPR, может использоваться для характеристики слоев и наборов слоев. Помимо кинетики связывания, MP-SPR может также предоставить информацию о структурных изменениях с точки зрения истинной толщины слоя и показателя преломления. MP-SPR был успешно применен в измерениях нацеливания липидов и разрыва,^[12] Однослойный монослой графена, нанесенный методом CVD (3,7 Å)^[13] а также полимеры микрометровой толщины.^[14]

Интерпретация данных

Наиболее распространенная интерпретация данных основана на Формулы Френеля, которые рассматривают сформированные тонкие пленки как бесконечные сплошные диэлектрические слои. Эта интерпретация может привести к множеству возможных показатель преломления и значения толщины. Однако обычно только одно решение находится в пределах разумного диапазона данных. В многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс, две кривые ППР получаются путем сканирования диапазона углов на двух разных длинах волн, что приводит к уникальному решению как для толщины, так и для показателя преломления.

Плазмоны металлических частиц обычно моделируются с помощью Рассеяние Ми теория.

Во многих случаях подробные модели не применяются, но датчики откалиброваны для конкретного применения и используются с интерполяция в пределах калибровочной кривой.

Примеры

Послойная самостоятельная сборка

Кривые ППР, измеренные при адсорбции полиэлектролит а затем глина минеральная самосборный пленку на тонкий (около 38 нанометров) датчик из золота.

Одним из первых распространенных применений спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса было измерение толщины (и показателя преломления) адсорбированных самособирающихся нанопленок на золотых подложках. Резонансные кривые смещаются в сторону больших углов по мере увеличения толщины адсорбированной пленки. Этот пример представляет собой измерение «статического SPR».

Если требуется более высокая скорость наблюдения, можно выбрать угол прямо под точкой резонанса (угол минимального отражения) и измерить изменения отражательной способности в этой точке. Это так называемое измерение «динамического SPR». Интерпретация данных предполагает, что структура пленки существенно не меняется во время измерения.

Определение константы связывания

Сигнал ассоциации и диссоциации

Пример вывода из Biacore

Когда близость двух лиганды необходимо определить, равновесие константа диссоциации должен быть определен. Это равновесное значение отношения продукта. Это значение также можно найти с помощью параметров динамического ППР, и, как и в любой химической реакции, это скорость диссоциации, деленная на скорость ассоциации.

Для этого на декстрановой поверхности кристалла SPR иммобилизуют приманку-лиганд. Через микропоток В системе над слоем приманки вводится раствор с аналитом добычи. Поскольку аналит-жертва связывает лиганд-приманку, наблюдается увеличение сигнала SPR (выраженного в единицах ответа, RU). По истечении желаемого времени ассоциации раствор без аналита-жертвы (обычно буфер) вводится в микрофлюид, который диссоциирует связанный комплекс между лигандом-приманкой и аналитом-жертвой. Теперь, когда аналит-жертва диссоциирует от лиганда-приманки, наблюдается уменьшение сигнала SPR (выраженного в резонансных единицах, RU). Из этих ассоциаций ('по ставке', $k а$ ) и скорости диссоциации ('off rate', $k d$ ), константа равновесной диссоциации («константа связывания», $K D$ ) можно рассчитать.

Фактический сигнал SPR можно объяснить электромагнитным «взаимодействием» падающего света с поверхностным плазмоном слоя золота. На этот плазмон может влиять слой всего в несколько нанометров на границе раздела золото-раствор, то есть белок-приманка и, возможно, белок жертвы. Привязка изменяет угол отражения;

${ displaystyle K_ {D} = { frac {k _ { text {d}}} {k _ { text {a}}}}}$

Термодинамический анализ

Поскольку биосенсоры SPR облегчают измерения при различных температурах, можно проводить термодинамический анализ, чтобы лучше понять изучаемое взаимодействие. Выполняя измерения при различных температурах, обычно от 4 до 40 ° C, можно связать константы скорости ассоциации и диссоциации с энергией активации и тем самым получить термодинамические параметры, включая энтальпию связывания, энтропию связывания, свободную энергию Гиббса и теплоемкость.

Парное картирование эпитопа

Поскольку SPR позволяет осуществлять мониторинг в реальном времени, отдельные этапы последовательных событий связывания можно тщательно оценить при исследовании совместимости антител в конфигурации «сэндвич». Кроме того, он позволяет картировать эпитопы, поскольку антитела перекрывающихся эпитопов будут ассоциироваться с ослабленным сигналом по сравнению с сигналами, способными взаимодействовать одновременно.

Магнитный плазмонный резонанс

В последнее время появился интерес к поверхностным магнитным плазмонам. Для этого требуются материалы с большой отрицательной магнитной проницаемостью, свойство, которое только недавно стало доступным при строительстве метаматериалы.

Смотрите также

дальнейшее чтение

Подборка бесплатно загружаемых статей по плазмонике в New Journal of Physics
Хайнц Рэтер (1988). «Поверхностные плазмоны на гладких и шероховатых поверхностях и на решетках». Тракты Спрингера в современной физике. 111. Bibcode:1988STMP..111 ..... R. Дои:10.1007 / BFb0048317. ISBN 978-3-540-17363-2.
Стефан Майер (2007). Плазмоника: основы и приложения. Springer. ISBN 978-0-387-33150-8.
Ричард Б. М. Шасфорт; Анна Дж. Тудос, ред. (2008). Справочник по поверхностному плазмонному резонансу. Издательство РСК. ISBN 978-0-85404-267-8.

[1] С. Цзэн; Байарже, Доминик; Хо, Хо-Пуи; Йонг, Кен-Тай (2014). «Наноматериалы улучшают поверхностный плазмонный резонанс для приложений биологических и химических датчиков». Обзоры химического общества. 43 (10): 3426–3452. Дои:10.1039 / C3CS60479A. PMID 24549396.

[2] Гонсалес-Диас, Хуан Б .; Гарсия-Мартин, Антонио; Гарсия-Мартин, Хосе М .; Себоллада, Альфонсо; Армеллес, Гаспар; Сепульведа, Борха; Алавердян Юрий; Келл, Микаэль (2008). «Плазмонные наносэндвичи Au / Co / Au с повышенной магнитооптической активностью». Маленький. 4 (2): 202–5. Дои:10.1002 / smll.200700594. HDL:10261/17402. PMID 18196506.

[3] Ду Гуань Сян; Мори, Тецудзи; Сузуки, Мичиаки; Сайто, Шин; Фукуда, Хироаки; Такахаши, Мигаку (2010). «Доказательства локализованного поверхностного плазмонно-усиленного магнитооптического эффекта в массиве нанодисков». Appl. Phys. Латыш. 96 (8): 081915. Bibcode:2010АпФЛ..96х1915Д. Дои:10.1063/1.3334726.

[4] Цзэн, Шувен; Ю, Ся; Ло, Винг-Чунг; Чжан, Ятин; Ху, Руи; Динь, Сюань-Куен; Хо, Хо-Пуи; Йонг, Кен-Тай (2013). «Зависимость от размера поверхностного плазмонного резонанса, усиленного наночастицами золота, на основе измерения дифференциальной фазы». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 176: 1128–1133. Дои:10.1016 / j.snb.2012.09.073.

[modern-plasmonics-5] а ^б Марадудин, Алексей А .; Сэмблс, Дж. Рой; Барнс, Уильям Л., ред. (2014). Современная плазмоника. Амстердам: Эльзевир. п. 1–23. ISBN 9780444595263.

[6] Мин Хип, Ха; Эндо, Тацуро; Керман, Каган; Чикаэ, Миюки; Ким, До-Гюн; Ямамура, Шохей; Такамура, Юдзуру; Тамия, Эйити (2007). «Иммуносенсор на основе локализованного поверхностного плазмонного резонанса для обнаружения казеина в молоке». Sci. Technol. Adv. Матер. 8 (4): 331–338. Bibcode:2007STAdM ... 8..331M. Дои:10.1016 / j.stam.2006.12.010.

[7] Синибальди, А .; Danz, N .; Descrovi, E .; и другие. (2012). «Прямое сравнение характеристик датчиков поверхностных волн Блоха и поверхностных плазмон-поляритонов». Датчики и исполнительные механизмы B: химические. 174: 292–298. Дои:10.1016 / j.snb.2012.07.015.

[8] Pillai, S .; Catchpole, K. R .; Трупке, Т .; Грин, М.А. (2007). "Кремниевые солнечные элементы, усиленные поверхностным плазмоном". J. Appl. Phys. 101 (9): 093105–093105–8. Bibcode:2007JAP ... 101i3105P. Дои:10.1063/1.2734885. HDL:1885/16942.

[9] Лочароенрат, Кицакорн; Сано, Харуюки; Мизутани, Горо (2007). «Феноменологические исследования оптических свойств нанопроволок Cu». Sci. Technol. Adv. Матер. 8 (4): 277–281. Bibcode:2007STAdM ... 8..277L. Дои:10.1016 / j.stam.2007.02.001.

[10] Лидберг, Бо; Нюландер, Клаас; Лунстрём, Ингемар (1983). «Поверхностный плазмонный резонанс для обнаружения газов и биосенсоров». Датчики и исполнительные механизмы. 4: 299–304. Дои:10.1016/0250-6874(83)85036-7.

[11] Rich, RL; Мышка, Д.Г. (2007). «Высокопроизводительный анализ молекулярных взаимодействий в реальном времени без меток». Аналитическая биохимия. 361 (1): 1–6. Дои:10.1016 / j.ab.2006.10.040. PMID 17145039.

[12] Гранквист, Нико; Yliperttula, Marjo; Вялимяки, Салла; Пулккинен, Петри; Тенху, Хейкки; Виитала, Тапани (18 марта 2014 г.). «Контроль морфологии липидных слоев с помощью химии поверхности субстрата». Langmuir. 30 (10): 2799–2809. Дои:10.1021 / la4046622. PMID 24564782.

[13] Юссила, Анри; Ян, Он; Гранквист, Нико; Сун, Чжипэй (5 февраля 2016 г.). «Поверхностный плазмонный резонанс для характеристики пленок графена с атомным слоем большой площади». Optica. 3 (2): 151. Bibcode:2016 Оптический ... 3..151J. Дои:10.1364 / OPTICA.3.000151.

[14] Корхонен, Кристийна; Гранквист, Нико; Кетолайнен, Яркко; Лайтинен, Риикка (октябрь 2015 г.). «Мониторинг кинетики высвобождения лекарства из тонких полимерных пленок с помощью многопараметрического поверхностного плазмонного резонанса». Международный журнал фармацевтики. 494 (1): 531–536. Дои:10.1016 / j.ijpharm.2015.08.071. PMID 26319634.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]