表面等離激元共振實驗PPT課件

1、1 表面等離激元共振表面等離激元共振 Surface Plasmon ResonanceSurface Plasmon Resonance 三級物理實驗三級物理實驗 2 內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介 l 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?l實驗簡介實驗簡介 l實驗原理實驗原理 l實驗儀器實驗儀器 l實驗步驟實驗步驟 l實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 l數(shù)據(jù)記錄與處理數(shù)據(jù)記錄與處理 3 實驗?zāi)康膶嶒災(zāi)康?1、了解全反射中倏逝波的概念 2、觀察表面等離激元共振現(xiàn)象，研究其共振 角隨折射率的變化 3、進一步熟悉和了解分光計的調(diào)節(jié)和使用 4、了解和掌握共振角測量的方法，以及折 射率的計算原理和方法 4 SPRSPR發(fā)展簡介發(fā)展簡介 1、190

2、2年Wood就在光學(xué)實驗中首次發(fā)現(xiàn)了表面等離子體共振現(xiàn)象 2、1941年Fano根據(jù)金屬和空氣界面上電磁波的激發(fā)解釋了這一SPR現(xiàn)象，隨后提出 體積等離子體子的概念，認為這是金屬中體積電子密度的一種縱向波動。Ritchie注 意到當(dāng)高能電子通過金屬薄片時，不僅在體積等離子體子頻率處有能量損失峰，在 更低頻率處也有能量損失峰，并認為這與金屬薄膜的界面有關(guān)。 3、1959年P(guān)owell和Swan通過實驗驗證了Ritchie理論 4、1960年Stern和Farrell研究了產(chǎn)生共振的條件并首次提出了表面等離子體子（SP） 的概念 5、1971年Kretschmann為SPR傳感器結(jié)構(gòu)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)

3、 6、1983年Liedburg將SPR用于IgG與其抗原的反應(yīng)測定 7、1987年Knoll等人開始了SPR成像的研究 8、1990年Biocare AB公司開發(fā)出首臺商品化SPR儀器 5 基本概念基本概念 l表面等離激元共振是一種能夠適合探測金屬表面的分子相互作用的量子光電 現(xiàn)象 l理論上，一個表面全內(nèi)部反射的光誘發(fā)從表面延伸的消散波，平行于正常的 波。這個消散場是由于光的波性質(zhì)和強度隨著表面距離增加而呈指數(shù)遞增。 在波導(dǎo)/金屬表面相交處，從波導(dǎo)延伸的消散場能夠以具體的入射角耦合到電 磁表面波，這個角 稱為表面等離子體共振（SPR）角 l當(dāng)入射光從折射率為n1的光密介質(zhì)照射到折射率為n2的

4、光疏介質(zhì)發(fā)生全反射 時，在2 種介質(zhì)的交界面處將同時發(fā)生折射和反射，當(dāng)入射角大于臨界角c 時,將發(fā)生全反射，在全內(nèi)反射（Total Internal Reflected, TIR）條件下，入射 光的能量沒有損失，但光的電場強度在界面處并不立即減小為零，而會滲入 光疏介質(zhì)中產(chǎn)生消失波，光波并不是絕對地在界面上被全反射回光密介質(zhì)， 而是滲入光疏介質(zhì)大約一個波長的深度，并沿著界面流過波長量級距離重新 返回光密介質(zhì)，沿著反射光方向射出。這個沿著光疏介質(zhì)表面流動的波稱為 倏逝波 6 金屬板中電子氣的位移 （上）金屬離子（上）金屬離子（+）位于）位于“電子海洋電子海洋”中（灰中（灰 色背景），（下）電子集

5、體向右移動色背景），（下）電子集體向右移動 金屬表面等離子波金屬表面等離子波 把金屬的價電子看成是 均勻正電荷背景下運動 的電子氣體，這實際上 是一種等離子體。由于 其電子系統(tǒng)集體振蕩形 成了等離子波。 7 倏逝波（倏逝波（Evanescent Wave） 界面 光密 n1 光疏光疏n2 全反射的光波會滲入光疏介質(zhì)約為一個波長的深度，再沿界面 流動約半個波長再返回光密介質(zhì)。光的總能量沒有發(fā)生改變。 這個沿著光疏介質(zhì)表面流動的波稱為倏逝波 8 SPRSPR光學(xué)原理光學(xué)原理 光在棱鏡與金屬膜表面上發(fā)生全反射現(xiàn)象時，會形成倏逝波進入 到光疏介質(zhì)中，而在介質(zhì)（假設(shè)為金屬介質(zhì)）中又存在一定的等 離子波。

6、當(dāng)兩波相遇時可能會發(fā)生共振。 9 應(yīng)用應(yīng)用 l免疫測定 l蛋白質(zhì)相互作用測定 l抗體與抗原的反應(yīng)測定 lDNA與蛋白質(zhì)相互作用分析 藥物篩選及鑒定 環(huán)境監(jiān)測 毒品與食品監(jiān)測 生物科技 10 SPRSPR傳感技術(shù)的優(yōu)點傳感技術(shù)的優(yōu)點 l免標(biāo)記檢測免標(biāo)記檢測。SPR傳感技術(shù)對被測物質(zhì)的折射率非常敏感，它與熒光分析或 ELISA檢測方法不同，省去了樣品純化和材料標(biāo)記等樣品準(zhǔn)備步驟，大大節(jié)省 了額外的時間，并消除了標(biāo)記物對反應(yīng)造成干擾的可能性；另外，它可以觀察 每個實驗步驟對反應(yīng)的影響，而不像其他實驗方法只能得到實驗的最終結(jié)果。 l實時檢測實時檢測。采用SPR傳感技術(shù)，反應(yīng)的進展情況可以直接地顯示在計

7、算機屏 幕上，這種對實驗步驟地實時反饋，加快了實驗開發(fā)和分析的速度。最為吸引 人的是，SPR傳感技術(shù)可以對反應(yīng)進行動力學(xué)參數(shù)分析，這是其他分析方法 所無法比擬的。 l無損傷檢測無損傷檢測。SPR傳感技術(shù)是一種光學(xué)檢測方法，光線在傳感芯片表面被反 射回來，并不與被測物接觸；由于光線并不是穿透樣品，甚至是混濁或不透明 的樣品，也同樣可以進行檢測。 11 實驗原理實驗原理 12 棱鏡式結(jié)構(gòu)棱鏡式結(jié)構(gòu) 13 理論計算公式理論計算公式 ( )(0)exp(-) z I zI d 0 222 12 2sin d nn 2 0 2 ms sp ms n kk n 01 sin xp kk n 00 =2/k

8、 倏逝波強度表達式：倏逝波強度表達式： 表面等離子體激元的波矢的模：表面等離子體激元的波矢的模： 其中：其中： 14 2 2 sinRe ms spp ms n n n 折射率與共振角之間的關(guān)系：折射率與共振角之間的關(guān)系： 2 2 Re() sin Re() ms psp ms n n n 2 010 2 sinRe ms spp ms n kk nk n 產(chǎn)生產(chǎn)生SPRSPR現(xiàn)象的條件：現(xiàn)象的條件： sp p s m n n 為玻璃折射率 為共振角 為液體折射率 為金屬的介電常數(shù) 15 實驗儀器實驗儀器 29、激光器 30、光電探頭 31、偏振器 32、微調(diào)座 33、準(zhǔn)星（圖中未標(biāo)出） 34、敏感部件 數(shù)字功率計數(shù)字功率計 16 實驗步驟實驗步驟 l分光計和實驗部件已安裝完成，無需重新調(diào)試 l傳感中心調(diào)整 l樣品測量讀數(shù) 17 實驗內(nèi)容實驗內(nèi)容 l純水測量 l無水乙醇測量 l水與乙醇比例為1:1的溶液測量 l不同濃度的羅丹明6G溶液測量(選做內(nèi)容） 18 數(shù)據(jù)記錄數(shù)據(jù)記錄 次數(shù) 123 角度值 功率值 19 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理 4050607080 0 200 400 600 800 1000 1200 Intensity Degree H2O找出共振角找出共振角 計算折射率計算折射率 K9玻璃折射率玻