表面等离激元共振法测液体折射率实验

表面等离激元共振法测液体折射率实验

实验目的：

1、了解全反射中倏逝波的概念

2、观察表面等离激元共振现象，研究其共振角随折射率的变化

3、进一步熟悉和了解分光计的调节和使用

4、了解和掌握共振角测量的方法，以及计算折射率的原理和方法

实验简介：

早在1902年Wood就在光学实验中首次发现了表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）现象，1941年Fano根据金属和空气界面上电磁波的激发解释了这一SPR现象，随后就提出了体积等离子体子（激元）的概念，认为这是金属中体积电子密度的一种纵向波动。Ritchie注意到当高能电子通过金属薄片时，不仅在体积等离子体子频率处有能量损失峰，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。1959年Powell和Swan通过实验验证了Ritchie理论。1960年Stern和Farrell研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离子体子（SP）的概念。1971年Kretschmann为SPR传感器结构技术奠定了基础,1983年Liedburg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定，1987年Knoll等人开始了SPR成像的研究，1990年Biocare AB公司开发出首台商品化SPR仪器。表面等离激元共振技术终于在20世纪90年代成功发展起来，成为应用SPR原理检测生物传感芯片上配位体与分析物作用的一种新技术。

表面等离激元共振是一种能够适合探测金属表面的分子相互作用的量子光电现象。理论上，一个表面全内部反射的光诱发从表面延伸的倏逝波，平行于正常的波。这个倏逝场是由于光的波性质和强度随着表面距离增加而呈指数递增。在波导/金属表面相交处，从波导延伸的倏逝场能够以具体的入射角耦合到电磁表面波，这个角称为表面等离激元共振（SPR）角。在这个角，光能量能够转换到传导金属膜片，因为共振频率是一样的，因此创建了一个表面等离激元。因为能量被吸收了，光的反射强度显示了在表面等离激元共振（SPR）发生的角的地方下降。倏逝场起着表面的探测杆作用，因为表面等离激元共振（SPR）角对于折射率的变化相当敏感。表面等离激元共振（SPR）角的转换因此用于探测表面

的折射率（RI）的变化，这个折射率（RI）的变化直接与表面粘和的分析物的浓度成正比例。

SPR的共振角或共振波长与金属薄膜表面的性质密切相关，如果在金属薄膜表面附着被测物质（一般为溶液或者生物分子），会引起金属薄膜表面折射率的变化，从而SPR光学信号发生改变，根据这个信号，就可以获得被测物质的折射率或浓度等信息，达到生化检测的目的。

SPR传感技术是一项新兴的生物化学检测技术。自从Nylander和Liedberg 于1982年首次将SPR传感技术用于气体检测和生物传感器中，20年来，SPR传感技术在实现方式、仪器开发和应用领域扩展上都获得了飞速的发展。与传统的生化分析方法相比，SPR传感技术具有以下几个显著的优点：

（1）免标记检测。SPR传感技术对被测物质的折射率非常敏感，它与荧光分析或ELISA检测方法不同，省去了样品纯化和材料标记等样品准备

步骤，大大节省了额外的时间，并消除了标记物对反应造成干扰的可

能性；另外，它可以观察每个实验步骤对反应的影响，而不像其他实

验方法只能得到实验的最终结果。

（2）实时检测。采用SPR传感技术，反应的进展情况可以直接地显示在计算机屏幕上，这种对实验步骤地实时反馈，加快了实验开发和分析的

速度。最为吸引人的是，SPR传感技术可以对反应进行动力学参数分

析，这是其他分析方法所无法比拟的。

（3）无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至

是混浊或不透明的样品，也同样可以进行检测。

传统的分析方法局限于体外实验或使用离体器官进行，例如X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）以及次级离子质谱（SIMS）等，不仅费用比较昂贵，设备庞大，灵敏度有限，而且都不能研究有关动力学过程。与传统技术相比，SPR技术的优点极为明显。SPR分析技术的出现，大大加快和优化了免疫测定过程，更为DNA和蛋白质之间的研究带来了重大突破。几十年来，DNA和蛋白质之间相互作用，特别是其反应动力学的测定一直没有简便快捷的方法，而SPR 技术解决了这一难题。

由于SPR 传感技术与其他传统分析方法相比，有着无可比拟的独特优点，它在药物筛选、环境监测、生物科技、毒品及食品检测等许多重要领域有着巨大的市场潜力，并且保持着快速的发展。

实验原理：

在电磁场的作用下，材料中的自由电子会在金属表面发生集体振荡，产生表面等离激元（Surface Plasmon ）；共振状态下电磁场的能量被有效转换为金属表面自由电子的集体振动能。

当入射光从折射率为n 1的光密介质照射到折射率为n 2的光疏介质发生全反射时，在 2 种介质的交界面处将同时发生折射和反射，当入射角θ大于临界角θc 时,将发生全反射，在全内反射（Total Internal Reflected, TIR ）条件下，入射光的能量没有损失，但光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消失波，光波并不是绝对地在界面上被全反射回光密介质，而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流动的波称为倏逝波。对于倏逝波在金属内部的分布是随着与表面垂直距离z 的增大而呈指数衰减，即

()(0)exp(-)z I z I d

=

(1)

其中

d =

0λ是光在真空中的波长)是倏逝波渗入光疏介质的

有效深度(光波的电场衰减至表面强度的1/e 时的深度)。可见入射的有效深度d 不受入射光偏振化程度的影响，除θ→c θ，d →∞的特殊条件外（c θ为布儒斯特角），d 随着入射角的增加而减小，其大小是0λ的数量级甚至更小。因为倏逝波的存在，在界面处发生全内反射的光线，实际上在光疏介质中产生大小约为半个波长的位移后又返回光密介质。若光疏介质很纯净，不存在对倏逝波的吸收或散射，则内部的全反射光并不会衰减。反之，若光疏介质不纯净，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全内反射（反射率出现最小值）。表面等离激元共振（surface plasmon resonance, SPR ）是倏逝波以衰减全反射的方式激发表面等离激元波（surface plasmon wave ，SPW ），当SPW 波矢与倏逝波的波矢大小相等、方向相同时，产生共振，导致入射光的反射光强降至最低。如果在两种介

质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的倏逝波（Evanescent Wave ）的P 偏振分量（P 波）将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波（Surface Plasmon Wave ，SPW ）。当入射光的角度或波长到某一特定值时，入射光的大部分会转换成SPW 的能量，从而使全反射的反射光能量突然下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此时入射光的角度或波长称为SPR 的共振角或共振波长。SPR 的共振角或共振波长与金属薄膜表面的性质密切相关，如果在金属薄膜表面附着被测物质（一般为溶液或者生物分子），会引起金属薄膜表面折射率的变化，从而SPR 光学信号发生改变，根据这个信号，就可以获得被测物质的折射率或浓度等信息，达到生化检测的目的。

表面等离激元(SP)是沿着金属和电介质之间的界面传播的电磁波所形成的。当P 偏振光以表面等离激元共振角入射到界面上，将发生衰减全反射：入射光被耦合到表面等离激元内，光能被大量吸收，在这个角度上由于发生了表面等离激元共振从而使得反射光显著减少。光在界面处发生全内反射时的倏逝波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离激元。在入射角或波长为适当值时，表面等离激元与倏逝波的频率相等，两者之间发生共振。入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在

反射光谱上出现共振吸收峰，这就是表面等离激元共振现象。在入射光波长固定的情况下，通过改变入射角，也可以实现角度指示型表面等离激元共振。

如图所示，当P 偏振光（振动方向在入射面内）通过柱面棱镜照射到金属表面时，入射光波矢k 在x 方向上的投影k x 为

01sin x p k k n θ= (2) 式中，00=2π/λk 是入射光在自由空间中的波矢，0λ是入射光在自由空间中的波长，p n 是柱面棱镜的折射率（折射率有实部、虚部，本实验所指折射率均指折射率的实部），1θ为入射角。

根据Maxwell 方程，可以推导出表面等离激元波的波矢k sp （如图的所示）的模为

sp k k = (3)

其中，m ε是金属的介电常数，n s 是待研究介质的折射率。

当k x ＝k sp 时，入射光波就会在金属表面形成表面等离激元共振。

01sin R e sp

p k k n k θ?

== ?

(4)

上式就是产生SPR 现象的条件。采用角度指示型检测方式，调节入射角θ1，反射光强最低时对应的共振角θsp 满足：

sin R e sp

p

n θ?=

?

(5)

由于所采用的金属介电常数的实部绝对值远大于虚部绝对值，则公式（5）可进一步简化为：

sin p sp n θ=

(6)

根据（6）式可知待测液体折射率和共振角之间的关系，实验中可利用该式测量不同液体的折射率。

仪器基本原理图如图二所示。结合分光计的精度和角度读数的方便性，能够精确的找到待测溶液所对应的共振角。

图三 基于分光计的SPR 传感器原理图

注意事项：

1.不应用手触摸光学元件的表面。

2.切记换药品时应用清水冲洗干净。

3.操作繁琐，应当认真。

数据处理：

实验中原始数据如下：纯净水：

1:1酒精：

无水乙醇：

将以上数据利用origin 作图得：

728088

300

600

900

B

A

图一：纯净水的接受光强与入射角曲线

60

70

80

90

0400

800

1200

B

A

图二：1:1乙醇接受光强与入射角曲线

60708090

300

600

900

B

A

图三：无水乙醇的接受光强与入射角曲线

由图可以得出，纯净水的θsp

为,5.70?无水乙醇的θ

sp

为,75?1:1乙醇的θ

sp

为,74?

由

sin p sp n θ=

带入数据=p n 1.516，以及纯净水的=s n 1.333，解得：Re （εm ）=-13.679

所以可以计算得无水乙醇的=s n 1.364 1:1乙醇的=s n 1.356 误差分析

1、由于该实验于白天进行的，户外光对实验结果由一定影响。

2、实验中光源有一定宽度，在边缘地带有一部分会被阻挡，导致角度很大时光强下降。

3、光学仪器光学表面可能有污渍，导致光强减弱。

4、由于实验数据并不连续，导致最低点有误差。

5、液体中掺杂有杂质导致其折射率发生改变。

6、实验操作重复单调，导致操作过程中出现焦躁情绪，对实验结果有一定影响。 实验总结：

该实验让我们了解了全反射中倏逝波的概念，观察表面等离激元共振现象，研究其共振角随折射率的变化，使我们进一步熟悉和了解分光计的调节和使用，了解和掌握共振角测量的方法，以及计算折射率的原理和方法。

由此实验我们了解到，对于事物的某种特性可以采取多种不同的方法来研究它，可以让我们得到一些意想不到的收获。