表面离子体共振

等离子体成分，对外呈现电中性
等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统，它的
主要特征是：
1、离子间存在长程库仑作用。 2、等离子的运动与电磁场的运动紧密耦合，形态和 性质受外加电磁场的影响强烈。
3、存在极其丰富的集体效应和集体运动模式(如各种 静电波、漂移波等)。 4、等离子体对边界条件十分敏感。
关。
• 如果将电介质换成待测样品，测出共振时的θ或，就可 以得到样品的介电常数s或折射率ns；如果样品的化学或 生物性质发生变化，引起ns的改变，则θ或也会发生变
化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。
• 固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变 化的SPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长， 可得到波长随反射率变化的SPR光谱。SPR光谱的改变反映 了体系性质的变化。
1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象 1941年，Fano解释了SPR现象 1971年，Kretschmann结构为SPR传感器奠定了基础 1983年，liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定 1987年，Knoll等人开始SPR成像研究 1990年，Biacore AB公司开发出首台商品化SPR仪器 ••• •••
设想在某一区域电子密度低于平均密度，那么就会形成局部的正电荷 过剩。这时由于库仑引力作用，会把近邻的电子吸引到该区域，而被 吸引的电子由于获得附加的动量，又会使该区域聚集过多的负电荷， 然而，由于电子间的排斥作用，使电子再度离开该区域，从而形成价 电子相对于正电荷背景的起伏振荡。由于库仑力的长程作用，这种局 部的电子密度振荡将形成整个电子系统的集体振荡，即等离子震荡， 并以密度起伏的波的形式来表现，称为等离子波。
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。
传感器的基本原理
• 表面等离子体子共振的产生与入射光的角度θ、波长、 金属薄膜的介电常数s及电介质的折射率ns有关，发生共 振时θ和分别称为共振角度和共振波长。对于同一种金 属薄膜，如果固定θ，则与ns有关；固定，则θ与ns有
全反射
菲涅尔定理：n1 sinθ1 = n2 sinθ2
当光从光密介质射入
密
光疏介质（n1＞n2），
入射角增大到某一角
源自文库
度，使折射角达到 90°时，折射光将完
疏
全消失，而只剩下反
射光，这种现象叫做
全反射。
密
疏
消逝波
密
界面
疏
当以波动光学的角度来研究全反射时，人们发现当入射 光到达界面时并不是直接产生反射光，而是先透过光疏介质 约一个波长的深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介 质，而光的总能量没有发生改变。则透过光疏介质的波被称 为消逝波。
低温（室温）等离子体，而气体放
金属板中电子气的位移
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。
（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
等离子波
电子间相
正电荷过互斥力 剩区域
库仑力
e
引力斥力 平衡点
当金属受到电磁干扰时，金属中的电子密度分布就会变得不均匀。
SPR基本原理
它利用P偏振光在玻 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, 当表面等离子体与 消失波的频率相等 时,二者将发生共振, 界面处的全反射条 件将被破坏, 呈现衰 减全反射现象，入 射光被金属表面电 子吸收,使反射光能 量急剧下降
SPR原理
什么是等离子体？
等离子体 = PLASMA = 电浆
等离子体通常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 ，是 物质存在的一种状态，与固态、液态和气态并列，称 为物质的第四态。宇宙中大部分物质处于等离子状态。
等离子体的发现：
1879年，英国物理学家 William Crookes----物质第四状态 1929年，美国化学物理学家 Langmuir----等离子体
表面等离子体波（Surface plasma wave，SPW）
表面等离子体振动产生的电荷密度波，沿着金属和 电介质的界面传播，形成表面等离子体波，其场矢量在 界面处达到最大，并在两种介质中逐渐衰减。表面等离 子体波是TM极化波，即横磁波（Transverse Magnetic mode），其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而 电场矢量则垂直于界面。
什么是金属等离子体？？？
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
SPR基本原理
当入射光波长固定时， 反射光强度是入射角的 函数，其中反射光强度 最低时所对应的入射角 称为共振角
SPR检测原理
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。
表面离子体共振 Surface plasmon resonance
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Outline
• SPR技术简介 • SPR仪器介绍 • SPR应用
• SPR技术简介
1.表面等离子体共振（Surface plasmon resonance，SPR）， 又称表面等离子体子共振，表面等离激元共振，是一种物理 光学现象，有关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生 物学研究的重要工具。 2.发展概史
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