Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Поверхностный плазмонный резонанс (ППР).

Поверхностный плазмонный резонанс ( SPR ) - это резонансные колебания электронов проводимости на границе раздела между материалом с отрицательной и положительной диэлектрической проницаемостью, стимулированные падающим светом. SPR является основой многих стандартных инструментов для измерения адсорбции материала на плоских металлических (обычно золотых или серебряных) поверхностях или на поверхности металлических наночастиц . Это фундаментальный принцип, лежащий в основе многих приложений цветных биосенсоров , различных датчиков « лаборатория на чипе» и фотосинтеза диатомовых водорослей.

Объяснение [ править ]

Поверхностного плазмонного поляритонная является безызлучательной электромагнитной поверхностной волны , которая распространяется в направлении , параллельном / диэлектрического материала интерфейса отрицательной диэлектрической проницаемости. 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 и т. Д.). Самый простой способ подойти к проблеме - рассматривать каждый материал как однородный континуум, описываемый частотно-зависимой относительной диэлектрической проницаемостью между внешней средой и поверхностью. Эта величина, далее называемая « диэлектрической функцией » материалов, является комплексной диэлектрической проницаемостью . Чтобы слагаемые, описывающие электронный поверхностный плазмонЧтобы 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 ( локализованные поверхностные плазмонные резонансы) представляют собой коллективные колебания заряда электронов в металлических наночастицах, которые возбуждаются 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 [ править ]

Конфигурация Отто
Конфигурация Кречмана

Для резонансного возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов можно использовать бомбардировку электронами или падающий световой луч (обычно видимый и инфракрасный). Входящий луч должен соответствовать импульсу плазмона. [4] В случае p-поляризованного света (поляризация происходит параллельно плоскости падения), это возможно, пропуская свет через стеклянный блок, чтобы увеличить волновое число (и импульс ) и достичь резонанса при заданная длина волны и угол. S-поляризованныйсвет (поляризация происходит перпендикулярно плоскости падения) не может возбуждать электронные поверхностные плазмоны. Электронные и магнитные поверхностные плазмоны подчиняются следующему закону дисперсии :

где k ( ) - волновой вектор, - относительная диэлектрическая проницаемость, - относительная проницаемость материала (1: стеклянный блок, 2: металлическая пленка), а - угловая частота и 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 конфигурации Отто свет освещает стену стеклянного блока, обычно призму, и полностью отражается внутрь . Тонкая металлическая пленка (например, золото) располагается достаточно близко к стенке призмы, так что затухающая волна может взаимодействовать с плазменными волнами на поверхности и, следовательно, возбуждать плазмоны. [5]

В конфигурации Кречмана (также известной как конфигурация Кречмана – Ретера ) металлическая пленка напыляется на стеклянный блок. Свет снова освещает стеклянный блок, и исчезающая волна проникает сквозь металлическую пленку. Плазмоны возбуждаются на внешней стороне пленки. Эта конфигурация используется в большинстве практических приложений. [5]

Эмиссия SPR [ править ]

Когда поверхностная плазмонная волна взаимодействует с локальной частицей или неоднородностью, например с шероховатой поверхностью , часть энергии может переизлучаться в виде света. Этот излучаемый свет можно обнаружить за металлической пленкой с различных направлений.

Приложения [ править ]

Схема датчика, использующего поверхностный плазмонный резонанс

Поверхностные плазмоны использовались для повышения поверхностной чувствительности нескольких спектроскопических измерений, включая флуоресценцию , комбинационное рассеяние света и генерацию 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 конкурентоспособной платформе, основанной на диэлектрических многослойных без потерь ( DBR ), поддерживающих поверхностные электромагнитные волны с более острыми резонансами ( поверхностные волны Блоха ). [7]

Если на поверхность нанесен рисунок из различных биополимеров с использованием соответствующей оптики и датчиков изображения (например, камеры), метод может быть расширен до получения изображений поверхностного плазмонного резонанса (SPRI). Этот метод обеспечивает высокий контраст изображений, основанный на количестве адсорбированных молекул, что в некоторой степени похоже на микроскопию под углом Брюстера (последняя чаще всего используется вместе с желобом Ленгмюра – Блоджетт ).

Для наночастиц локализованные поверхностные плазмонные колебания могут вызывать интенсивные цвета суспензий или золей, содержащих наночастицы . Наночастицы или нанопроволоки благородных металлов демонстрируют сильные полосы поглощения в ультрафиолетовой области - видимого света режима, которые не присутствуют в объеме металла. 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 локального показателя преломления при адсорбции на наночастицы также могут быть использованы для обнаружения биополимеров, таких как ДНК или белки. Связанные дополнительные методы включают плазмонный волноводный резонанс, QCM , экстраординарное оптическое пропускание и интерферометрию с двойной поляризацией .

Иммуноанализ SPR [ править ]

Первый иммуноферментный анализ на SPR был предложен в 1983 году Лидбергом, Ниландером и Лундстремом, работавшими в то время из Технологического института Линчёпинга (Швеция). [10] Они адсорбировали человеческий 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 , иммуноанализ SPR не содержит меток, поскольку молекула-метка не требуется для обнаружения аналита. [11] Кроме того, измерения SPR можно отслеживать в режиме реального времени, что позволяет отслеживать отдельные этапы последовательных событий связывания, что особенно полезно при оценке, например, сэндвич-комплексов.

Характеристика материала [ править ]

Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс , особая конфигурация ППР, может использоваться для характеристики слоев и стопок 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] CVD-осажденного одиночного монослоя графена (3,7 Å) [13], а также полимеров микрометровой толщины. [14]

Интерпретация данных [ править ]

Наиболее распространенная интерпретация данных основана на формулах Френеля , которые рассматривают сформированные тонкие пленки как бесконечные сплошные диэлектрические слои. Такая интерпретация может привести к множеству возможных значений показателя преломления и толщины. Однако обычно только одно решение находится в пределах разумного диапазона данных. В многопараметрическом поверхностном плазмонном резонансе 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 использованием теории рассеяния Ми .

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

Примеры [ править ]

Послойная самостоятельная сборка [ править ]

Кривые ППР, измеренные во время адсорбции полиэлектролита и затем самоорганизующейся пленки глинистого минерала на тонкий (примерно 38 нанометров) датчик 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».

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

Определение константы привязки [ править ]

Сигнал ассоциации и диссоциации
Пример вывода из Biacore

Когда необходимо определить сродство двух лигандов , необходимо определить константу равновесной диссоциации . 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 систему микропотока раствор с аналитом добычи вводится поверх слоя приманки. 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 ('скорость', k a ) и скорости диссоциации ('off rate', k d), можно рассчитать константу равновесной диссоциации («константу связывания», K D ).

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

Термодинамический анализ [ править ]

Поскольку биосенсоры SPR облегчают измерения при различных температурах, можно провести 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 [ править ]

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 [ править ]

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 создании метаматериалов .

См. Также [ править ]

  • Датчик водорода
  • Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс
  • Нанооптика
  • Плазмон
  • Спинплазмоника
  • Поверхностный плазмон-поляритон
  • Волны в плазме
  • Локализованный поверхностный плазмон
  • Кварцевые микровесы

Ссылки [ править ]

  1. ^ С. Цзэн; Байарже, Доминик; Хо, Хо-Пуи; Йонг, Кен-Тай (2014). «Наноматериалы улучшили поверхностный плазмонный резонанс для приложений биологических и химических датчиков» . Обзоры химического общества . 43 (10): 3426–3452. DOI : 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. DOI : 10.1002 / smll.200700594 . ЛВП : 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. Lett . 96 (8): 081915. Bibcode : 2010ApPhL..96h1915D . DOI : 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 Au NP, на основе измерения дифференциальной фазы» . Датчики и исполнительные механизмы B: химические . 176 : 1128–1133. DOI : 10.1016 / j.snb.2012.09.073 .
  5. ^ a b Марадудин, Алексей А .; Сэмблс, Дж. Рой; Барнс, Уильям Л., ред. (2014). Современная плазмоника . Амстердам: Эльзевир . п. 1–23. ISBN 9780444595263.
  6. ^ Минь Хип, Ха; Эндо, Тацуро; Керман, Каган; Чикаэ, Миюки; Ким, До-Гюн; Ямамура, Шохей; Такамура, Юдзуру; Тамия, Эйити (2007). «Иммуносенсор на основе локального поверхностного плазмонного резонанса для обнаружения казеина в молоке» . Sci. Technol. Adv. Mater . 8 (4): 331–338. Bibcode : 2007STAdM ... 8..331M . DOI : 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. DOI : 10.1016 / j.snb.2012.07.015 .
  8. ^ Pillai, S .; Ловушка, КР; Трупке, Т .; Грин, Массачусетс (2007). "Кремниевые солнечные элементы, усиленные поверхностным плазмоном". J. Appl. Phys . 101 (9): 093105–093105–8. Bibcode : 2007JAP ... 101i3105P . DOI : 10.1063 / 1.2734885 . hdl : 1885/16942 .
  9. ^ Locharoenrat, Kitsakorn; Сано, Харуюки; Мизутани, Горо (2007). «Феноменологические исследования оптических свойств нанопроволок Cu» . Sci. Technol. Adv. Mater . 8 (4): 277–281. Bibcode : 2007STAdM ... 8..277L . DOI : 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. DOI : 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. DOI : 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». Ленгмюра . 30 (10): 2799–2809. DOI : 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 . DOI : 10.1364 / OPTICA.3.000151 .
  14. ^ Корхонена, Кристиин; 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. DOI : 10.1016 / j.ijpharm.2015.08.071 . PMID 26319634 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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 . DOI : 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.