表面等离激元共振实验
表面等离激元技术的研究及其应用
表面等离激元技术的研究及其应用表面等离激元（Surface plasmon）是一种在金属表面上发生的电磁波传播形式。
它是由金属中的自由电子通过共振相互作用而引起的。
在表面等离激元现象中，电磁波通过金属表面上的自由电子运动来传播，形成一种局域电磁波场。
近年来，表面等离激元技术被广泛应用于生物化学、物理学、光电学等领域中，发展迅速。
本篇文章将探讨表面等离激元技术的研究及其应用。
一、表面等离激元的研究表面等离激元的研究起源于19世纪末，当时研究人员注意到金属颗粒表面上的电场强度比体内电场强度大得多。
20世纪初，通过对金属的光电子研究，研究人员发现表面等离激元相当于金属表面上的局域振荡，这种振荡引发了电磁波的共振。
随着科学技术的发展，表面等离激元的研究也得到了进一步的深入。
20世纪中叶，科学家们开始在新材料、新技术、新装置等方面进行实验研究，以提高表面等离激元的性能和应用。
二、表面等离激元技术在生物化学中的应用1.表面等离激元技术在蛋白质分析中的应用表面等离激元技术可用于生物大分子的检测和分析。
例如在蛋白质研究中，可以将蛋白质样品吸附在金属表面上，然后通过表面等离激元的共振效应来测量蛋白质的折射率和吸收性。
2.表面等离激元技术在细胞成像中的应用通过表面等离激元技术，可以直接观察和检测生物细胞内的化学成分。
利用表面等离激元的高分辨率，可以对微生物和癌细胞的细胞膜进行成像，检测其组成和生理功能。
三、表面等离激元技术在物理学中的应用1.表面等离激元技术在太阳能电池中的应用太阳能电池的最大问题是其转换效率限制。
利用表面等离激元技术，可以设计出具有更高转换效率的太阳能电池。
在新型太阳能电池的研究中，利用表面等离激元的特性来提高太阳能电池的光吸收效率，从而提高电能产生能力。
2.表面等离激元技术在传感器中的应用表面等离激元技术在传感器中被广泛应用。
传感器通常用于溶解性分析、光谱学分析、气体检测、生物标记物检测和环保监测等，表面等离激元技术能够提供高分辨率和灵敏度，从而提高传感器的性能。
金属纳米颗粒的表面等离激元共振
金属纳米颗粒的表面等离激元共振近年来，金属纳米颗粒在纳米科技领域中扮演着重要的角色。
其独特的形貌和结构使得金属纳米颗粒在光学、电子学等领域有广泛的应用。
而金属纳米颗粒的表面等离激元共振效应正是其中一个引人关注的现象。
表面等离激元共振是一种与金属纳米颗粒特有结构相联系的现象。
当光线照射在金属纳米颗粒上时，电子能级受到激发并与光子产生相互作用。
这种相互作用会导致新的电子-光子耦合态的形成，同时也导致了金属纳米颗粒上电荷密度分布的变化。
这一过程中，金属纳米颗粒表面的自由电子与光子能量相互耦合，形成所谓的表面等离激元。
那么，具体来说，表面等离激元共振又意味着什么呢？首先，金属纳米颗粒在表面等离激元共振发生时，其吸收和散射光谱将发生显著变化。
这些变化可以通过光谱分析等实验手段进行研究。
通过对吸收和散射光谱曲线的分析，我们可以获得金属纳米颗粒的表面等离激元共振频率以及它与外界环境的相互作用。
这对于理解纳米颗粒在光学传感、表面增强拉曼光谱等应用中的行为机制至关重要。
其次，表面等离激元共振还导致了局部电场的增强效应。
当光子与金属纳米颗粒相互作用时，局部电场在颗粒附近被局部增强。
这种局部电场增强效应使得金属纳米颗粒成为一种优越的局域增强电场平台。
基于这一效应，我们可以利用金属纳米颗粒来实现更高灵敏度的荧光探针、表面拉曼散射信号放大、二次谐波产生等应用。
此外，表面等离激元共振也可用于光热治疗、太阳能电池和激光光谱等领域，发挥着重要作用。
最近的研究还发现，金属纳米颗粒的尺寸、形状和组成对其表面等离激元共振行为有重要影响。
通过调节金属纳米颗粒的这些参数，可以控制其表面等离激元共振频率的位置和强度。
因此，精确控制金属纳米颗粒的表面等离激元共振行为对于实现特定应用具有重要意义。
许多研究正在探索新的合成方法和加工技术，以实现对金属纳米颗粒的形貌、尺寸和组成的精确控制。
总结起来，金属纳米颗粒的表面等离激元共振是一种引人关注的现象，具有广泛的应用潜力。
表面等离激元光学的理论与实验研究
表面等离激元光学的理论与实验研究近年来，表面等离激元光学引起了广泛的研究兴趣。
这是一种将光与金属表面上的电子振荡模式相互作用的现象。
表面等离激元可以在纳米尺度上聚集光线，从而实现超分辨率成像、增强光学信号和操纵光的传播等应用。
本文将探讨表面等离激元光学的理论基础和实验研究。
表面等离激元的理论基础可以追溯到19世纪末。
德国物理学家弗里克在1887年首次提出了表面等离激元的概念。
他认为，金属表面存在着一种特殊的电磁振荡模式，它使得光能够与金属表面上的电子形成耦合。
这个耦合的模式导致光的传播速度变慢，同时在金属表面附近形成了电磁场增强的区域。
这种模式被称为表面等离激元。
在弗里克的理论基础上，表面等离激元的研究逐渐发展起来。
20世纪初，德国物理学家斯特恩提出了表面等离激元的量子力学解释，将其视为金属表面上的电子与光子相互作用的结果。
此后，随着量子力学理论的进一步发展，对表面等离激元的理论解释也越来越完善。
除了理论研究，实验研究也对表面等离激元光学的发展起到了关键作用。
实验上，研究人员通过激光照射金属表面，观察光的散射和吸收行为，来探测表面等离激元的存在。
随着科技的进步，实验技术不断发展，使得研究人员能够更加准确地观测和操控表面等离激元。
表面等离激元光学的研究除了理论和实验外，还包括了一系列的应用研究。
例如，表面等离激元可以用于超分辨率成像。
传统的成像技术受到衍射极限的制约，而表面等离激元能够将光线聚集到纳米尺度，从而实现超分辨率成像。
这种成像技术在生物医学领域有着广泛的应用前景。
此外，表面等离激元还可以用于增强光学信号。
通过控制表面等离激元的耦合强度和传播距离，可以有效提高光信号的强度和敏感度。
这种增强效应可用于各种光学传感器和检测器件的设计和制造。
与此同时，表面等离激元还具有光子集成和光传输调控的功能。
通过结构优化和材料选择，可以实现将光线引导到期望的位置，并控制光的传播方向和强度。
这种光传输调控技术在光电子学和纳米光子学领域具有广泛的应用潜力。
局域表面等离激元
局域表⾯等离激元局域表⾯等离激元2016年6⽉11⽇ 来源：中国物理学会期刊⽹1 引⾔把光场的能量集中到⼀个很⼩的区域可以显著地增强光和物质的相互作⽤，在这种条件下，我们可以很容易观测到物质的⼀些⾮线性光学效应，强光还可以诱导物质的物理化学变化。
在使⽤凸透镜等光学元件(见图1(a))聚焦光场时，不可避免会遇到⼀个瓶颈，那就是光的衍射极限。
图1(b)给出了透镜汇聚平⾏光后由于衍射产⽣的艾⾥斑的能量分布，光场的能量被聚焦在⼀个与波长尺度相当的空间中，衍射极限限制了光场的聚焦区域的⼤⼩，同时也限制了光学显微技术的精度。
如果把光场的能量聚焦到⼀个远⼩于波长的尺度，不仅可以产⽣强场，⽽且可以⼤⼤促进光学显微技术的发展。
但是如何进⼀步聚焦光场呢？局域表⾯等离激元提供了⼀个解决办法(见图1(c)—(e))，具有局域表⾯等离激元特性的⾦属纳⽶颗粒可以把光场聚焦或局域到远⼩于波长的纳⽶尺度空间内。
图1 (a)透镜聚焦平⾏光的⽰意图；(b)600 nm 的光经过凸透镜聚焦产⽣的艾⾥斑的能量分布，透镜直径和焦距都为2 cm；(c)贵⾦属纳⽶颗粒⽰意图；(d)直径30 nm、长度60 nm 的⾦纳⽶棒在其纵向共振波长(560 nm)处局域光场的能量分布，颜⾊条下⾯的数字表⽰对数坐标下的相对电场场强数值(局域电场场强相对于激发光场强的⽐值)；(e)为(d)中虚线框的放⼤图表⾯等离激元起源于⾦属(或⾼掺杂半导体)纳⽶结构中类⾃由电⼦在外电磁场激发下，电⼦运动与电磁场互相激励产⽣的共谐振荡。
类似于声⼦是晶体中原⼦集体振荡运动的量⼦化描述，表⾯等离激元(或称为电浆⼦)是电⼦及电磁场的共谐振荡量⼦化后的准粒⼦。
表⾯等离激元携带有相应的准动量和能量。
在⾦属薄膜和介质的界⾯处，表⾯等离激元可以沿着界⾯传播(见图2(a))，传播的距离决定于材料本⾝由于电⼦共谐振荡⽽产⽣的欧姆损耗。
这类表⾯等离激元被称为传导表⾯等离激元，其具体描述可以参见童廉明与徐红星研究员发表在2012 年第9 期《物理》上的专题⽂章。
表面等离激元共振原理
表面等离激元共振原理
表面等离激元共振是一种在表面等离激元中发生共振现象的物理现象。
表面等离激元是一种在金属和介质界面上产生的电磁波模式，它是金属中的自由电子与光子之间的耦合模式。
表面等离激元共振原理可以通过以下步骤进行解释：
1. 当电磁波入射到金属-介质界面时，部分能量会被金属吸收，而另一部分能量会被反射。
2. 当入射角度和波长满足一定的条件时，进入金属表面的光子能够与自由电子耦合形成表面等离激元。
这些电子和光子之间的耦合形成了新的电磁波模式，即表面等离激元。
3. 表面等离激元的形成导致了共振现象，即当入射角度和波长符合表面等离激元的共振条件时，能量将得到最大的能量传递。
4. 共振产生的电磁波能够在金属表面上传播，形成波浪或驻波模式，具有较高的局部电场强度。
表面等离激元共振具有很多重要的应用，包括传感器、光学器件、太阳能电池等领域。
通过调控和利用表面等离激元共振现象，可以实现更高效的能量传输、灵敏的传感器探测以及更高分辨率的成像等。
表面等离激元共振
表面等离激元共振在太阳能电池等领 域中，可以提高光电转换效率，促进 可再生能源技术的发展。
表面等离激元共振的历史与发展
早期研究
表面等离激元共振的研究始于20世纪初，但直到近年来随 着纳米技术的快速发展，才得到了广泛关注和应用。
受介质影响
当表面等离激元遇到不同介质时 ，会发生反射、折射或耦合等现 象。
表面等离激元的共振条件
波矢匹配
当入射光波的波矢与表面等离激元的波矢相匹 配时，会发生共振增强效应。
能量守恒
入射光能量与表面等离激元的能量必须相匹配， 才能实现共振。
动量守恒
入射光与表面等离激元必须满足动量守恒定律。
03
表面等离激元共振的应用
光电探测器
用于检测共振产生的光信号，如光电流或光 电压。
激光器
提供共振所需的光源，通常选用可见光波段 的激光。
金属纳米结构
制备具有特定形貌和尺寸的金属纳米结构， 如纳米颗粒、纳米棒、纳米片等。
实验步骤与操作
样品制备
在玻璃基底上制备金属纳米结 构样品，可以采用物理气相沉
积、化学合成等方法。
光学显微镜观察
THANK YOU
实验验证难度
表面等离激元共振的实验验证是另一个技术挑战。由于表面等离激元共振的特性，实验验证需要高精度的测量设备和 复杂的实验条件，这增加了实验验证的难度。
理论模型的不完善
目前对表面等离激元共振的理论模型仍不完善，这限制了对表面等离激元共振的深入理解和应用。需要 进一步发展理论模型，提高理论预测的准确性和可靠性。
调控光电流
通过表面等离激元共振，可以调控太阳能电池中的光电流方向和大 小，优化能源利用效率。
表面等离激元共振技术在化学分析中的应用
表面等离激元共振技术在化学分析中的应用表面等离激元共振技术是一种近年来在化学分析领域备受关注的新兴技术。
它利用纳米结构和光学等离激元的相互作用，可以实现对化学分子的高灵敏度检测和谱学分析。
本文将从表面等离激元的基本原理、应用于化学分析的优势以及具体的应用案例三个方面阐述表面等离激元共振技术在化学分析中的应用。
表面等离激元是一种集体震荡模式，当光波与金属或其他材料的界面相互作用时产生。
这种相互作用可以增强电磁波的局域化，使光场与介质之间的相互作用增强。
这种增强效应在化学分析中可以用于增强光信号的散射、吸收和发射等过程，从而提高检测的灵敏度。
同时，由于表面等离激元的共振特性，可以选择特定的波长进行激发和检测，增加分析的选择性。
在化学分析中，表面等离激元共振技术具有多种优势。
首先，由于等离激元仅在与金属表面极为接近的几纳米范围内存在，因此可以实现对样品的高灵敏度检测。
其次，由于等离激元受光波波长的影响，可以用于实现对不同分子的选择性检测。
再次，等离激元共振技术可以与其他光学和电化学技术相结合，形成多功能的分析平台。
最后，等离激元共振技术还可以实现对材料的纳米结构和纳米粒子的表征，对材料科学和纳米技术的研究具有重要意义。
在化学分析中，表面等离激元共振技术已经得到了广泛的应用。
其中一个重要的应用领域是生物分析。
由于等离激元技术对分子的特异性敏感，可以实现对生物分子的高灵敏度和选择性检测。
例如，可以通过等离激元共振技术实现对生物分子的定量检测，如蛋白质、核酸和糖类等。
此外，等离激元共振技术还可以用于生物传感器的设计和构建，实现对细胞、细菌和病毒等微生物的检测。
另一个重要的应用领域是环境分析。
表面等离激元共振技术可以实现对环境中的微量有机物和无机物的检测。
例如，可以通过等离激元技术对水中的水污染物、土壤中的土壤污染物以及大气中的挥发性有机物进行监测和分析。
这些分析数据可以为环境保护和环境治理提供重要依据。
此外，表面等离激元共振技术还被应用于材料科学和纳米技术的研究。
表面等离激元共振法测液体折射率
实验题目：表面等离激元共振法测液体折射率数据处理：利用软件做出实验数据的图象：1：1乙醇溶液与纯乙醇的数据对比寻找记录数据中的极小值点，可得：Θsp纯水=69°5′Θsp纯乙醇=74°45′Θsp水:乙醇=1:1=74°15′Θsp10-3罗丹宁溶液=74°15′由是柱面棱镜的折射率，是金属的介电常数，n s是待研究介质的折射率，水的折射率为1.333 , K9的折射率为1.516,代入得：Re()＝－14.96由该数据可以计算其他液体的折射率。
经计算,得：n50%乙醇=1.365, n纯乙醇=1.368 ,n10-3罗丹宁溶液=1.365误差分析：对照乙醇折射率的标准值,在实验条件下（温度约为20摄氏度以下，入射光应为红宝石激光器发出的激光，波长约为693nm）,99.8%的乙醇折射率应在1.366附近，可认为本次实验的误差范围基本达到要求。
但实验的结果十分诡异，所测的50%乙醇溶液的折射率，与纯乙醇的折射率竟然相差无几，完全不符合常识与事实。
然而在进行实验时我特意关注了设备的误差范围，所得的结果应该能保证系统误差在1°以内，再观察50%乙醇溶液与纯乙醇的实验数据，不难发现，两组数据不光在极小值点附近，在整个测量范围内都惊人的相似……此外，另外一位同学所测得的50%乙醇溶液与纯乙醇的实验数据亦是如此，若排除掉我们两个人都犯了在更换测量液体时需测量的液体拿错的情况(根据进行本次实验的人数(10人)和发生此种情况的人数(2人,注,其他人选择测量的不是这两种溶液)，假设我们每人拿错的概率为1/5，则总的发生概率应为1/25，小于5%，在统计上可认为是一件反常事件)，结论应该是——有一份待测的溶液装错了瓶子……非常遗憾的是，因为时间的关系，没能来的急对反常的数据进行验证……实验心得：1)光学实验仪器十分贵重而脆弱，需要小心操作，绝对不能触碰其光学面。
2)在实验数据突变的拐点附近应增加测量次数，提高实验精度3)实验中出现异常时一定要小心处理，重复实验。
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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。
量结束后立刻关闭 不能手碰光学元件的表面
.
【思考题】
测量液体折射率的方法你知道有几种？具体说明 什么是表面等离激元共振现象？ 什么是倏逝波？ SPR传感技术有哪些优点？有哪些应用？ 本实验中的SPR敏感部件的结构是什么？具体使用注意事
当入射光从折射率为n1的光密介质照射到折射率为n2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
折射率与共振角之间的关系：
n p为 玻 璃 折 射 率
sinsp Re
mns2 mns2
np
为
sp
共
振
角
n
为
s
液
体
折
射
率
m为 金 属 的 介 电 常 数
npsinsp
Re(m)ns2 Re(m)ns2
.
实验仪器
数字功率计
29、激光器 30、光电探头 31、偏振器 32、微调座 33、准星（图中未标出） 3. 4、敏感部件
射率的计算原理和方法
.
SPR发展简介
1、1902年Wood就在光学实验中首次发现了表面等离子体共振现象 2、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，随后提出
体积等离子体子的概念，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。 3、1959年Powell和Swan通过实验验证了Ritchie理论 4、1960年Stern和Farrell研究了产生共振的条件并首次提出了表面等离子体子（SP） 的概念 5、1971年Kretschmann为SPR传感器结构技术奠定了基础 6、1983年Liedburg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定 7、1987年Knoll等人开始了SPR成像的研究 8、1990年Biocare AB公司开发出首台商品化. SPR仪器
基本概念
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消散波，平行于正常的 波。这个消散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，从波导延伸的消散场能够以具体的入射角耦合到电 磁表面波，这个角 称为表面等离子体共振（SPR）角
800
K9玻璃折射率
600
400
n=1.5163
200
水的折射率
0
n=1.3333
40
50
60
70
80
Degree
.
应用举例 ----LB膜测定
.
实验的难点和重点
✓ 中心对准 ✓ 等高度调整 ✓ 角度游标设定和调整
.
【注意事项】
眼睛不要与激光对视 数字功率计在测量10分钟前打开预热稳定，测
实验步骤
分光计和实验部件已安装完成，无需重新调试 传感中心调整
样品测量读数
.
实验内容
纯水测量 无水乙醇测量 水与乙醇比例为1:1的溶液测量 不同浓度的罗丹明6G溶液测量(选做内容）
.
数据记录
次数
1
2
3…
角度值 功率值
.
数据处理
Intensity
1200
H2O
找出共振角
1000
计算折射率
.
实验原理
.
棱镜式结构
.
理论计算公式
倏逝波强度表达式：
I(z)I(0)exp(- z) d
其中： d
2
0 n12sin2n22
表面等离子体激元的波矢的模：
kx k0npsin1
k0 =2π/λ0
ksp k0
mns2
. m
ns2
产生SPR现象的条件：
kspk0npsin1Rek0
mns2 mns2
三级物理实验
表面等离激元共振 Surface Plasmon Resonance
.
内容简介
实验目的 实验简介 实验原理 实验仪器 实验步骤 实验内容 数据记录与处理
.
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，以及折
光疏n2 全反射的光波会渗入光疏介质约为一个波长的深度，再沿界面 流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。 这个沿着光疏介质表面流动的波称为倏逝波
.
SPR光学原理
光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成倏逝波进入 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。当两波相遇时可能会发生共振。
倏逝波
.
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 是一种等离子体。由于 其电子系统集体振荡形 成了等离子波。
金属板中电子气的位移
（上）金属离子（+）位于“电子海洋”中（灰 色背景），（下）电子集体向右移动
.
倏逝波（Evanescent Wave）
界面 光密 n1环境监测
➢毒品与食品监测
➢生物科技
免疫测定
蛋白质相互作用测定
抗体与抗原的反应测定
DNA与蛋白质相互作用分析
.
SPR传感技术的优点
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。