表面等离子体共振实验
表面等离子体共振技术及其在化学中的应用
表面等离子体共振技术及其在化学中的应用表面等离子体共振技术简介表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance）技术是一种能够测定分子间相互作用的实验方法，利用了金属表面的等离子体共振现象，实现了分子间的灵敏检测。
其原理是利用了固体表面上的金属层，通过激光的照射产生等离子体共振，这种共振能使得催化剂与其反应物相结合，从而实现表面分子间的相互作用。
表面等离子体共振技术在化学领域的应用1.酶促反应机理酶促反应是化学领域中常见的反应类型，此类反应具有灵敏性强、反应条件温和、催化效率高等优势，被广泛应用于药物生产、制备化学品等领域。
表面等离子体共振技术的应用可以实现对酶促反应机理的深入研究，为其理论模型的建立和优化提供基础支持，从而提升酶催化反应的效率。
2.生物传感器生物传感器是一种可以灵敏检测生物分子的装置，采用了表面等离子体共振技术的方法可以实现对样品中生物分子的检测和定量测定。
该方法极大地简化了传统生物分析方法的操作流程，极大地提升了检测灵敏度和准确性，适用于生命科学领域中的分子检测、药物筛选等领域。
3.化学反应动力学研究化学反应动力学研究是化学领域中极为重要的研究内容之一，既包括了反应物的生成速率、反应过程中的化学周期等方面。
互补地应用表面等离子体共振技术可以对该类反应进一步探究，更好地理解反应机理、剖析反应速度等关键问题。
4.化学降解物的测定化学降解是工业化学领域中一个重要的问题，如何准确地测量降解降之后的残留物，一直是化学领域中的难点问题之一。
利用表面等离子体共振技术，可以快速有效地检测工业化学反应中产生的化学物质，对降解物的鉴定提供了实验数据的支持。
结语表面等离子体共振技术的应用拓宽了化学领域中分子间相互作用的研究方法。
未来，在技术不断发展壮大的背景下，表面等离子体共振技术的应用前景必将更加广阔。
基于表面等离子体共振技术油水持率传感器的实验研究
＋
ｅ１ Ｓ２
一 ０
（） ２
并且有 ：
ｓ
（ ）一 ＋走 ｉ＝， ＝１ ＝ ２
（ ３ ）
其 中 ｅ一ｅ＋ 为 金属 的复介 电常数 ， ｅ 为介 质 的 介 电常 数 。
由式 （ ） 式 （ ） ２和 ３ 可知 ，Ｐ 的波数 可表 示为 ＳＷ
尼ｓ 一 ｐ ｗ
］
（ ４ ）
图 １ Ｋｒｔｃ ｍａ ｅｓｈ ｎ型表 面等离子 共振传感结构示意图
ｓ ｒ ａ ｅ ｐ ａ ｍｏ ｅ ｏ ａ ｃ ｅ ｓ ｒ ｕ ｆ ｃ ｌｓ ｎ ｒ ｓ ｎ ｎ ｅ ｓ ｎ ｏ ｓ Ｆｉ ． Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｉｇ ａ ｏ ｅ ｓ ｈ ｎ ｔ ｐ ｇ １ ｃ ｅ ｔ ｄ ａ ｒ ｍ ｆＫｒ ｒ ｃ ｍａ ｙ ｅ ｃ
引 言
在油 田开 发生产 中， 率是 油井生 产 剖 面评 价 的一 个 重要 流 动 参 数 ， 为 优化 油 气 开 采方 案 及 提 高 持 可 原 油采 收率提 供科学 依据 。近年 来 国 内外 部分 大型油 田、 等 院校及 科研 单 位对 油 气水 三 相流 的持 率 问 高 题 开展 了广泛 研究 ， 取得 了卓 有 成 效 的研 究 成果 ， 分 已 商 品 化 。 目前 ， 量 持 率 的方 法 主要 包 括 电 容 部 测
子体共振技术在油 田 测井领域的应用尚未见报道。现提出采用 Ｋ ｅ ｃｒ ｎ ９ ｒ ｓｈ ａ 型［表面等离子体共振传感器 ｔ ｎ ］ 对油水持率进行室内实验研究的新思路 ， 为其在油田测井方面的应用提供前期理论依据。
ｌ 表面等离子体 共振 的原理
Ｋｒ ｓｈ ａ ｅ ｃ ｍ ｎ型表面等离子体共振传感结构如图 １ ｔ 所示 。其传感原理为 ： 当一束 Ｐ偏振光射人棱镜 、 金膜、 环境介质这种三层结构发生全内反射时， 在棱镜与金膜 的界面上存在倏逝波 。其波矢量在 ｚ轴 方 向的分量 为 ：
表面等离子体共振在研究中的应用
表面等离子体共振在研究中的应用摘要：表面等离子共振（SPR）近年来迅速发展为用于分析生物分子相互作用的一种新的光学检测技术。
应用SPR原理可检测生物传感芯片上配位体与分析物之间的相互作用情况，在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测及环境监测等领域具有广泛的应用需求。
该技术无需标记、特异性强、灵敏度高、样品用量小，可实现在线连续实时检测。
本文阐述了基于表面等离子共振技术生物传感器的基本原理，综述了SPR在蛋白质、水质、有毒气体检测及疾病诊断中的应用，以及利用SPR分析蛋白质—蛋白质相互作用中的主要研究方向，并对其发展趋势进行了展望。
关键词：表面等离子体共振；蛋白质；水质检测；有毒气体检测；疾病诊断Application in the Scientific Research ofSurface Plasmon ResonanceAbstract:The optical technique of surface plasmon resonance(SPR)has been rapidly developed to investigate the interactions of biomolecules in recent years, it can be applied for monitoring of interaction between ligand and analyte on a sensor chip. Thus, it has been largely demanded in the field of life science, medical testing, drug screening, food and environmental monitoring, and so on.SPR technique has many advantages,such as label-free,specificity,sensitivity, sample dosage, real-time and online detection.In this paper, the principle of biosensor chip technology of SPR biosensors was briefly described, its application on protein, water quality, toxic gas investigations and disease diagnosis were reviewed, and the mainly research fields of using SPR analyse interaction between protein and protein were stated. Furthermore，the trend of its development in near future has been prospected．Key words: surface plasmon resonance; protein; immunosensor; water quality investigation; toxic gas investigation表面等离子体子共振(surface plasmon resonance，SPR)是一种利用金属薄膜的光学耦合产生的物理光学现象。
材料表面等离子体共振效应研究
材料表面等离子体共振效应研究材料科学与工程领域一直以来都是人们关注的焦点。
在不同研究领域中，表面等离子体共振效应在材料表面特性研究中占据了重要地位。
本文将着重探讨材料表面等离子体共振效应的研究进展和应用前景。
首先，我们需要了解等离子体共振效应的基本概念。
等离子体共振是指当电磁波与金属表面等离子体结合时，能够形成一种共振效应的现象。
具体来说，当光谱从真空射入材料时，光与电子在表面产生相互作用，由此产生的电磁波被界面吸收并迅速转化为热能。
这种共振效应可以用于微纳尺度下的光学器件、传感器和信息存储等领域。
近年来，研究人员在表面等离子体共振效应方面取得了重要突破。
一项关键的发现是，调制表面等离子体共振效应能够实现对光波的有效控制。
通过设计和制备特定的纳米结构，研究人员能够调节共振频率和共振峰宽，从而优化材料的光学性能。
这种调控方法在光学信息记录和微型传感器等领域具有广泛的应用前景。
然而，材料表面等离子体共振效应的研究仍然面临一些挑战。
首先，尽管该效应可在纳米尺度下实现，但设计和制备合适的纳米结构仍然是一项技术难题。
此外，现有的研究方法也无法实现对共振效应的实时观测和精确调控。
为了解决这些问题，研究人员不断努力开展相关研究。
例如，利用先进的电子显微镜技术和光谱分析方法，他们可以直接观察并分析共振效应的发生机理。
这些研究有助于揭示共振效应的原理，并为材料设计和制备提供指导。
除了理论研究，材料表面等离子体共振效应的应用也备受关注。
例如，人们已经开始将该效应应用于表面增强拉曼散射（SERS）技术中。
与传统的Raman技术相比，SERS能够提供更高的灵敏度和分辨率。
这使得SERS在化学分析、生物传感和环境监测等领域具有广泛的应用前景。
通过调控表面等离子体共振效应，研究人员能够实现对SERS信号的增强和调控，从而进一步提高技术的可行性和应用范围。
总结一下，材料表面等离子体共振效应是一个引人注目的研究领域。
通过对这一现象进行深入研究，人们能够更好地理解材料表面的光学特性，并实现对光波的有效控制。
金属纳米粒子的表面等离子体共振效应研究
金属纳米粒子的表面等离子体共振效应研究金属纳米粒子广泛应用于生物医药、化学反应、激光技术等领域。
其独特的性质和表面等离子体共振效应使得其具有明显的应用前景和研究价值。
一、金属纳米粒子的制备方法纳米材料的制备方法多种多样，但主要包括两种，即物理方法和化学方法。
物理方法：1. 筛选法：用过滤和离心技术，在一定范围内筛选出需要的粒径。
2. 等离子体法：通过等离子体的爆发作用和开放式反应室技术制备金属纳米粒子。
化学方法：1. 化学还原法：通过还原剂将离子还原为原子并聚集形成金属纳米粒子。
2. 水相合成法: 用水相合成金属纳米粒子，具有纯度高、环保等优点。
二、金属纳米粒子的表面等离子体共振效应金属纳米粒子的表面具有富余的电子，当光照射到其表面时，这些电子会被激发产生表面等离子体共振效应（SPR）。
SPR 是一种光电子现象，能够使得光与金属之间交换能量并引起强烈的电磁场增强。
该效应是非常敏感的，当微小分子吸附到金属纳米粒子表面时，会引起SPR的变化，从而导致颜色的变化。
三、金属纳米粒子的生物应用1. 生物传感器应用：通过SPR技术，实现针对大分子结构的识别和测量。
2. 生物标记应用：通过将金属纳米粒子表面与生物结合，实现对生物分子的检测和测量。
3. 药物输送应用：将药物包裹在金属纳米粒子表面进行输送，提高药物的稳定性和疗效，减少药物毒性。
四、金属纳米粒子的环境应用1. 水处理应用：通过吸附、还原、光催化、电化学等方式对水中污染物进行去除。
2. 空气净化应用：金属纳米粒子对气体中的有害物质有良好的吸附和分解作用。
3. 吸附剂应用：金属纳米粒子具有良好的表面特性，可以作为吸附剂用于固体废物和污泥的处理中。
五、金属纳米粒子的未来发展随着纳米技术的发展，金属纳米粒子的应用场景将更加广泛和深入，但随之而来的安全性、环境友好性、生物相容性等问题也需要高度重视和研究。
相信通过技术的不断升级和完善，金属纳米粒子将在更多领域发挥着重要的作用，有可能会成为未来的主流材料之一。
表面等离子体共振
表面等离子体共振
表面等离子体子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)是一种物理光学现象。
它利用光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时渗透到金属薄膜内的消失波,引发金属中的自由电子产生表面等离子体子,在入射角或波长为某一适当值的条件下,表面等离子体子与消失波的频率与波数相等,二者将发生共振,入射光被吸收,使反射光能量急剧下降,在反射光谱上出现反射强度最低值,此即为共振峰。
紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时,共振峰位置(共振角或共振波长)将不同,据此,可对待测物进行分析。
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。
表面等离子共振技术(SPR)
SPR检测
食品工业
蛋白质 组学
遗传分析
药物领域
• Clinical immunosensing of tuberculosis (肺结核）CFP10 in patient urine by surface plasmon resonance spectroscopy（ 2011 Elsevier B.V. All rights reserved）
等离子体
指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体， 其中正、负带电粒子数目几乎相等。
金属表面等离子波
把金属的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的 电子气体，这实际上也是一种等离子体,由于电磁振 荡形成了等离子波。
• 金属膜 反射率高 化学稳定性好
Thank You!
SPR光学原理
在某个入射角度，光照射到棱镜上与金属膜表面上发生全反 射，从而形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质（假设为 金属介质）中又存在一定的等离子波。当两波相遇时会发生
共振。
• 当消逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的 反射光强会大幅度地减弱。由于能量从光子转移 到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离 子波吸收，使得反射光的能量急剧减少
GGBP蛋白质检测葡萄糖
间接测量法棱镜型SPR表面结构
N-乙酰半胱氨酸
GGBP蛋白固定时传感器表面折射率变化图
四、总结与展望
优点
• 1.可进行实施监测 • 2.无需样品标记 • 3.样品用量少、方便快捷 • 4.灵敏度高，应用范围广 • 5 能测量浑浊甚至不透明样品
表面等离子体共振技术(SPR)
左焕桢 2013-3-14
表面等离子体共振(SPR)薄膜传感器的研究
ｌ 引言
利用表面 等离子 共 振 （ｕ ａｅＰ ｓ ａＲ ｓｎｎｅ 现象 制 Ｓｒ ｃ ｌ ｍ ｅｏａｃ） ｆ ａ 作光薄膜传感器 已引起 人们广泛 的关 注和兴趣 Ｉ 正成 为 ｌ３， Ｊ 传感 器领域 的研究课题 。ＳＲ已成为人们 分析 物质浓 度 （ Ｐ 特 别是气体 ） 的强有力 的工具手段 。 表面等离子共振是一种物理光学现 象 ， 利用 光在金属 玻 璃的分界面处发生的 内全反射时所产 生的消失波 ， 激性 金属 表面 自由电子产生的等离子波 ， 在入射角和 光波长为适 当值 时 ， 面等离子波 的纵 向波矢 和消失 波 的纵 向波矢相 等 ， 表 则 相位 匹配 ， 生共振 。入 射光能 量耦合 到表 面 ， 反射光 光 发 使 强减少 。消失波 的场分 布决定 了其 能量 的大 部分分 布于 金 属表 面的一个 光 波长 以内。 因此 ， 面物 质 的光 学特 性 变 表 化， 对共振产生很大 的影 响。 按光波与 等离 子体 的耦 合方 式 ，Ｐ ＳＲ传 感 器 的三 种 类 型： 棱镜 型 ， 纤 型 和 光 栅 型Ｈ 。本 文利 用 自制 的棱 镜 型 光 Ｊ ＳＲ传感器 ， Ｐ 研究输 出反射 光强 与入 射角 之 间 的关 系 ， 论 讨 金属薄膜厚度 对传 感器灵敏度的影响 。
图 １ 表面等离子共振传感器实验 图
３ 实验装置
本实验是在小 型棱镜 的底 面采 用真 空镀 膜技 术镀 金属 薄膜 ， 金属薄膜分 别为 Ａ 膜 ， 膜 和 Ａ 膜 。薄膜 的厚 度 为 ｌ 鲰 ｕ ５ｎ ０ ｍ。以空气为测 量气 体 ， 种 测量 方法 称为 棱镜 耦合 法。 该 实验原理 图如 图 １ 所示 。棱 镜材 料 的折 射 率为 １５ ６ 入射 ．１ ， 光波长为 ６２ ８ｍ。实验 过程 中 ， ｅ 气 体 被 注入进 样 品池 ３ ．ｎ ＨＳ 中， 在实验 过程中 ， 整个实验 装置旋转 ， 从而 改变入射 光 的入 射角 ， 过分析入射角 与反 射光 强之 间 的关 系 ， 出共 振入 通 找 射角 ， 反射光 功率 用光功率计测量 。
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表面等离子体共振实验
姚付强 2012326690046 应用物理学12（2）班
实验目的：
1. 了解全反射中消逝波的概念。
2. 观察表面等离子体共振现象，研究共振角随液体折射率的变化关系。
3. 进一步熟悉和了解分光计的调节和使用。
实验原理：
当光线从光密介质照射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象。
但在全反射条件下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逝波。
若光疏介质很纯净，不存在对消逝波的吸收或散射，则全反射的光强并不会衰减。
反之，若光疏介质中存在能与消逝波产生作用的物质时，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全反射。
如果在这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消逝波的P 偏振分量将会进入金属薄膜，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。
表面等离子体共振原理如图所示。
对于某一特定入射角，消逝波平行于金属(电介质)界面的分量与表面等离子体波的波矢（或频率）完全相等，两种电磁波模式会强烈地耦合，消逝波在金属膜中透过并在金属膜与待测物质界面处发生等离子体共振，导致这部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，能量发生转移，反射光强度显著降低，这种现象被称为表面等离子体波共振。
当发生共振时，表面等离子体共振角与液体折射率的关系由以下公式表示
2
2
122
10Re Re )sin(n n
n sp +=εεθ
其中
sp
θ 为共振角，
0n 为棱镜折射率，2n 为待测液体折射率，1Re ε 为金属介电
常数的实部。
实验仪器
表面等离子体共振实验仪器装置如图所示。
主要由分光计、激励光源、偏振片、硅
光电池、光功率计、半圆柱棱镜（内充液体介质）。
实验内容
1. 调整分光计
2. SPR传感器中心调整
3. 测量某一液体的共振角
数据处理
最大光强为126
光强126 121 115 107 97 92 91 83 86 87 88 89 93
1.0 0.96 0.91 0.85 0.77 0.73 0.72 0.66 0.68 0.69 0.70 0.71 0.74 相对光
强
63 65 66.5 68 69.5 71 72.5 73 73.5 74 75.5 77 78.5 入射角
（°）
结果讨论
由图中曲线可知相对光强的最低点所对应的入射角为︒73 ，因此共振角就是︒73 ，再根据
公式可以得出该液体的折射率。
说实话，我们不应该就认为图中曲线相对光强的最低点所对
应的入射角就是共振角，但是我们组所测得的数据比较少，而且画出来的曲线也不好看，真实的曲线应该是二次曲线的样子， 这样得到的液体折射率跟真实的液体折射率之间误差就可能很大。
从如图所示的参考曲线中，我也可以大致得出液体的共振角在︒71 —︒72 之间，
虽然与我们得到的共振角差距比较小，但误差总会有。
如果我们测得的数据更加的多，在共振角附近的入射角取值间隔为0.1度，并且舍弃误差较大的数据，我相信我们可以得到更加接近真实数据的曲线。