表面等离子体共振原理及应用要点
表面等离子体共振原理及其化学应用
表面等离子体共振原理及其应用李智豪1.表面等离子体共振的物理学原理人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。
1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。
后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。
由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。
1.1 基本原理[1]光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。
等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。
当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。
对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。
金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。
这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场的增强效应等。
表面等离子体共振传感器在生物医药领域中的应用研究
表面等离子体共振传感器在生物医药领域中的应用研究生物医药领域中的传感器是非常重要的仪器之一。
传感器可以实时监测生化分子的存在和浓度，从而检测和诊断疾病，或者辅助药物研发。
表面等离子体共振传感器（Surface Plasmon Resonance, SPR）是近年来发展成熟的一种生物传感器，广泛应用于生物医药领域中。
一、 SPR原理SPR的原理基于贝尔定律，即光的入射角、介质折射率和反射光强之间存在某种关系。
SPR通常是通过光学金属膜和差分测量的方法来实现的。
将一束单色激光照射到金属表面，光线会发生反射和透射，其中反射光会在金属表面和玻璃表面之间产生共振，当共振条件满足时，反射光的光强将会急剧下降。
共振条件取决于金属膜的厚度、折射率和入射光角度。
当生物分子与金属表面相互作用时，它们的折射率也会改变，从而导致反射光的光强发生变化，可以通过检测反射光的光强变化来检测生物分子的存在和浓度变化。
二、 SPR的优势相比传统的生物分析方法，SPR具有以下几个优势：1. 实时检测：SPR可以实时观察光信号变化，无需标记和染色样品。
2. 高灵敏度：SPR可以检测到纳摩尔或更小的分子。
3. 高特异性：SPR对分析样品的结构和成分具有高特异性。
4. 无需保护性处理：SPR可以在非生物学条件下进行检测，无需保护性处理样品。
5. 多功能：SPR可以在多个层面上进行生物分析，从而更全面的了解分析样品的相关信息。
三、 SPR在生物医药领域中的应用SPR在生物医药领域中有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1. 药物筛选：SPR可以用来测试药物相互作用，确定药物在生物分子上的亲和力和特异性，从而帮助加速药物研发过程。
2. 抗体检测：SPR可以用来检测血清中的抗体和病原体抗原之间的相互作用，从而诊断疾病。
3. 蛋白质互作：SPR可以用来研究蛋白之间的互作，从而揭示蛋白质的生物信息和生物学功能。
4. DNA检测：SPR可以用来检测DNA序列的特异性和变异，从而进行基因分型和疾病诊断。
表面等离子体共振传感器在生物医学领域中的应用
表面等离子体共振传感器在生物医学领域中的应用第一章：引言表面等离子体共振传感器（surface plasmon resonance sensors）是一种基于光学原理的探测技术，可以实时、无标记地监测生物分子、蛋白质、细胞及其代谢产物等的相互作用过程。
自从20世纪80年代首次提出以来，表面等离子体共振传感技术已广泛应用于生物医学领域。
本文将介绍其在生物医学领域中的应用情况及前景展望。
第二章：表面等离子体共振传感器的原理表面等离子体共振传感器是基于等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）现象的原理。
SPR现象是指当光线从一个光密介质（例如玻璃）射入一个光稀介质（例如水）并通过一个金属薄膜时，金属薄膜中的电子将被激发形成等离子体，这种等离子体可以被当成一种波动，在金属薄膜上不断传播。
当金属薄膜与周围环境中的介质的光学性质发生变化时，等离子体波的传播速度和震荡频率也会发生变化，这种变化可以通过光学传感仪器监测到，从而实现对生物分子相互作用等生化过程的实时监测和测量。
第三章：表面等离子体共振传感器在生物医学领域中的应用3.1. 蛋白质结合研究表面等离子体共振传感器广泛应用于研究蛋白质结合行为。
蛋白质结合可以指生物过程中的许多活动，如酶促反应、信号途径、免疫反应等等。
传感器可以使用在实验室中的人工合成的探针分子或者在自然生物系统中是无法直接测量的蛋白质。
传感器的探针分子通常包括蛋白质、抗体和配体。
通过将探针分子固定在传感器表面上，可以实现对溶液中的蛋白质结合行为的监测，从而了解蛋白质间相互作用的性质、相互作用介导的生化反应、药物筛选等。
3.2. DNA杂交检测表面等离子体共振传感器也被用于检测DNA杂交行为。
DNA杂交是分子诊断中最重要的检测方法之一。
杂交体系中来源于两个不同的DNA链而形成的双链DNA的形成能力可以告知我们一个生物样本是否包含我们感兴趣的DNA序列。
传感器通常是使用在检测端上单链DNA序列，而引线被固定在表面上。
金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用
金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用一、引言金属纳米结构表面等离子体共振是当前研究的热点之一，它具有重要的理论和应用价值。
本文将从表面等离子体共振的基本概念入手，探讨金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用，以及在光电子器件、生物传感、化学催化等领域的应用前景。
二、表面等离子体共振的基本概念1. 表面等离子体共振的概念表面等离子体共振是指金属纳米结构表面上的自由电子与入射光场产生耦合共振的现象。
当金属纳米结构的尺寸趋近于光波长的数量级时，其表面电子会受到光场的激发而产生共振现象，这种共振被称为表面等离子体共振。
2. 表面等离子体共振的调控金属纳米结构的形状、大小、组成等因素会影响表面等离子体共振的频率和强度。
通过调控金属纳米结构的形貌、结构和组成，可以实现对表面等离子体共振的精准调控。
三、金属纳米结构表面等离子体共振的利用1. 光电子器件中的应用金属纳米结构表面等离子体共振可用于提高光电子器件的光吸收和光散射效率，提高太阳能电池的光电转换效率、增强光探测器的灵敏度等。
2. 生物传感领域中的应用利用金属纳米结构表面等离子体共振的高灵敏度和选择性，可以实现生物分子的检测和分析，具有重要的生物传感应用前景。
3. 化学催化领域中的应用金属纳米结构表面等离子体共振在化学催化领域也有着重要的应用，可以实现催化反应的高效率和高选择性，促进催化剂的设计和制备。
四、总结与展望金属纳米结构表面等离子体共振作为一种新型的光-物质相互作用现象，具有重要的理论研究和应用价值。
通过对表面等离子体共振的调控和利用，可以实现在光电子器件、生物传感、化学催化等领域的广泛应用。
随着纳米技术和光电子技术的不断发展，金属纳米结构表面等离子体共振必将在更多领域展现出重要的作用。
五、个人观点与理解金属纳米结构表面等离子体共振作为一种重要的纳米光学现象，对纳米材料科学和技术具有重要意义。
在未来的研究中，我认为应重点关注金属纳米结构表面等离子体共振的调控方法、机理的深入研究，以及其在新型光电子器件、生物传感、化学催化等方面的应用拓展。
表面等离子体共振技术的原理和应用
表面等离子体共振技术的原理和应用表面等离子体共振技术（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）是一种现代分析技术，主要用于检测生物分子相互作用。
该技术基于表面等离子体共振现象，通过测量试样与金属表面的相互作用，从而推断出与试样相互作用的生物分子的性质和相互作用力的强度。
表面等离子体共振现象是指当有一束光线斜入垂直于金属表面时，会与金属表面上的自由电子相互作用产生共振，这种共振就是表面等离子体共振。
而当试样溶液在金属表面形成一层薄膜时，这层薄膜的折射率会影响共振的位置和强度，因此可以检测到试样与金属表面的相互作用。
SPR技术的检测原理是通过将金属薄膜与含有生物分子（例如蛋白质）的溶液相接触，从而使生物分子吸附在金属薄膜表面，进而测量吸附和解离过程中的表面等离子体共振信号变化。
通常情况下，自发结合和亲和力大的生物分子会在金属表面上呈现强信号，在SPR曲线上表现为峰；而不结合或结合较弱的生物分子，其曲线相对平坦，表现出较小的信号。
SPR技术的应用SPR技术具有广泛的应用，特别在生物医学、生物化学和生命科学领域具有重要意义。
以下是一些SPR技术的应用：1. 生物分子相互作用研究SPR技术可以用于生物分子之间相互作用的研究，例如酶和配体、抗体和抗原、蛋白质和DNA/RNA等。
通过检测生物分子之间的相互作用，可以揭示生物分子相互作用的动力学和热力学参数，包括关联常数、解离常数、亲和力和熵变等。
2. 药物筛选SPR技术也可以应用于药物筛选。
在药物开发过程中，药物分子需要与靶分子相互作用，以达到治疗作用。
利用SPR技术可以对候选化合物进行筛选，通过检测不同药物候选物与目标分子之间的相互作用，从而选择最有效的药物分子。
3. 诊断应用SPR技术还可以应用于诊断，例如慢性阻塞性肺病（COPD）的检测。
据研究，COPD患者的血清中含有一特定蛋白胆固醇酯转移酶，而正常人的血清中不含。
利用SPR技术，可以检测出胆固醇酯转移酶的存在，从而诊断COPD。
表面等离子体共振传感器的研制和应用
表面等离子体共振传感器的研制和应用近年来，颗粒物、生物分子等微观粒子的检测逐渐成为人们热议的话题。
而表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）传感器由于可实现实时监测、无需化学绑定、快速反应等特点，因而备受关注。
本文将介绍SPR传感器的原理、制备方式、应用领域等内容，以期对读者有所启发。
一、SPR传感器的原理SPR传感器利用表面等离子体共振现象来实现微量物质的检测。
表面等离子体共振是一种特殊的电磁波现象，当入射光线以一特定角度照射在金属－介质（如玻璃、空气）界面时，由金属分界面的自由电子与光场共同激发，形成了电磁波和电子密度波的耦合状态，从而改变了金属界面处的电磁场分布。
当有物质分子吸附在金属界面上时，由于表面等离子体共振的感应作用，出现了一个特征的共振吸收峰（Resonance Absorption Peak），吸收峰的移动程度与分子吸附量呈正比关系，可作为检测信号的量度。
二、SPR传感器的制备方式SPR传感器按照使用的系统分为两类:基于全反射原理的传统光纤SPR和光栅SPR。
其中，光纤SPR是将“全反射”现象转化为银膜外界面SPR现象，利用银膜作为传感器敏感元件，通过塑料光纤的输送作为检测信号输入；光栅SPR直接将SPR信号转换为一个光栅讯号，然后进行信号放大与处理。
SPR传感器所用的敏感材料主要是金属银，并通过保护或光化学表面处理方式，实现SPR信号的选择性放大，其小范围最小检测量可达到10^-6~10^-10克。
根据待检测物质的性质与检测标准的不同，可以采用不同的SPR制备材料、工艺等方式，以更好地适应于实际应用。
三、SPR传感器的应用领域SPR传感器可用于许多领域的检测研究，例如：1.食品安全检测——该传感器可用来检测食品中残留农药的含量，从而保证食品的安全性。
2.环境检测——可用来检测水中的细菌、悬浮颗粒等微量物质，保证水的质量和安全。
3.生物医学领域——可用来检测DNA、蛋白质等生物分子，可作为基础研究、临床诊断及药物研发的工具等多方面的应用。
表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用
表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用精神卫生研究所张瀚迪学号：10281335摘要：表面等离子共振技术是近年来迅速发展起来的用于分析生物分子相互作用的一项技术，它利用全反射时入射光可以和金属表面的等离子发生共振的原理，探测生物分子之间是否发生作用以及反应的动力学参数。
该技术目前已广泛应用于免疫学、蛋白质组学、药物筛选、蛋白质与核酸相互作用等各个领域，并获得了许多用其它方法无法得到的动力学数据。
导言：表面等离子共振技术是一项用于分析生物大分子之间的相互作用的技术，它可以定性的判断两分子之间是否有相互作用，比较一种分子与其他几种分子之间相互作用的强弱，也可以实时定量的测定分子间相互作用的亲和力参数（平衡常数）和动力学参数（速率常数），甚至热力学参数（反应的焓）。
该技术是利用了物理光学的原理（下文详述），在研究两分子相互作用时，将一种分子固定在传感片表面，而另一种分子的溶液流过其表面，两种分子的结合会使传感片表面的折射率改变，因此检测两分子间的相互作用。
1983年，瑞典LINKOPING理工学院应用物理实验室Liedberg等人首先把它用于IgG与其抗原相互作用的检测[1]，并由BIAcore公司开发出SPR传感器。
此后SPR传感器的研究与改进迅速发展，其在生物医学中的应用也日益广泛。
表面等离子共振技术的基本物理光学原理：如果光波从光密介质（折射率大）射向光疏介质（折射率小），比如由玻璃射向空气，且入射角大于临界角时，没有折射光产生，入射光全部反射回去，这一现象称为全反射。
全反射时光波在两介质分界面的行为是什么样的呢？深入研究指出，全反射时光波将透入第二介质（光疏介质）很薄的一层表面（深度约为光波的波长），并沿界面流动约半个波长再返回第一介质（光密介质）。
透入第二介质的光波称为倏逝波。
如Fig 1 所示。
倏逝波是一个沿x方向传播的振幅在z方向（垂直于两介质界面的方向）按指数衰减的波。
倏逝波最后仍返回第一介质，总的来说光的能量没有进入第二介质。
表面等离子体共振传感器在食品安全中的应用
表面等离子体共振传感器在食品安全中的应用一、前言随着人们对食品安全越来越重视，快速、准确检测食品中的有害污染物质成为了当代食品安全监管的重要任务。
表面等离子体共振传感器作为一种新型的生物传感器技术，被广泛应用于食品中致癌物质、残留农药、微生物等污染物质的检测中。
二、表面等离子体共振传感器的原理表面等离子体共振传感器（surface plasmon resonance sensor, SPR）是一种重要的生物传感器，它是一种基于物理原理的全新生物分子检测技术。
它利用金属膜表面的等离子体振荡模式感知样品分子的变化，具有高灵敏度、实时检测和无需标记等特点。
表面等离子体共振传感器的基本原理是：在金膜上引入细胞膜蛋白、酶、核酸或抗体等分子，待检测样品通过金膜表面时，分子间的相互作用导致膜上等离子体共振谱发生变化，通过检测变化可获取样品分子的信息。
三、表面等离子体共振传感器在食品安全中的应用1. 残留农药检测残留农药是当前食品安全的重要问题之一。
传统的检测方法需要花费大量时间和成本。
表面等离子体共振传感器可以通过检测农药对抗体和抗原间的相互作用，实现对不同农药残留的鉴定与检测。
该技术可以快速准确检测多种农药，并有效避免了传统方法中化学试剂的使用，减轻了环境污染和检测成本。
2. 食品中的致癌物质检测致癌物质是食品安全的重要威胁之一，传统的检测方法需要使用较多的化学试剂，能够带来较大的环境污染和生命风险。
表面等离子体共振传感器可以通过检测样品中致癌物质与金膜表面共振谱的变化，对食品中的致癌物质进行实时检测。
该技术具有检测快速、准确度高、无需前处理等特点，并可以广泛应用于海产品、水果、蔬菜、肉类等食品领域。
3. 微生物检测食品中的微生物危害巨大，传统的检测方法需要很长时间来培养和识别。
表面等离子体共振传感器可以通过检测样品中微生物对金膜表面等离子体振荡的影响，实现对多种微生物的快速检测。
该技术可以应用于食品、环境卫生、医疗卫生等领域，并具有非常高的检测灵敏度和准确性。
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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
二、 SPR传感器概念4种检测方式 Nhomakorabea1.
2. 3. 4.
角度调制：固定λ
波长调制：固定θ
in，改变θ in
in in in
，改变λ
in
强度调制：固定θ
相位调制：固定θ
0 Prism g Metal m Sample s kev ksp x z 0 k'ev ksp Prism g Sample s Metal m
(A) Kretschman
(B) Otto
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。
表面等离子体共 振及其应用
报告人：邢砾云
2012.10
表面等离子体的产生 SPR传感器概念 典型SPR传感器及其应用
一、表面等离子体的产生
Surface Plasmon Resonance , SPR
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。
相位调制
、λ
、λ
in，改变光强 in，测相差
三、典型SPR传感器及其应用
基于波长调制的SPR传感器装置
0.1mm
Glass slide Au film Prism
B Sample in Au Sample out G
L
C
PD Prism CCD Computer
L：卤钨灯；C：平行光管；P：偏振片；D：光阑；G：光栅；B：玻片
基于角度调制的SPR传感装置
SPR 对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感 , 当表面 介质的属性改变或者附着量改变时，共振角将不同。因此， SPR谱（共振角的变化vs时间）能够反映与金属膜表面接触 的体系的变化。
典型仪器
Biacore 2000 Dimensions: 760 x 350 x 610 mm Net Weight: 50 kg Spreeta 2000