文档介绍：分析专题作业
综述
姓名: 李娟敏
学号:201128003708027
表面等离子共振传感器及其生化检测方面的应用
李娟敏
(中国科学院长春应用化学研究所,长春)
摘要:表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是一种入射光照射引起金属表面产生等离子体共振而导致反射光衰减的现象,反射光衰减程度与入射角和金属表面物质质量相关。根据这一原理研制的表面等离子体传感器,在检测、分析生物分子间的相互作用等方面有广泛的应用前景。本文对表面等离子共振生物传感器的工作原理、分类及结构进行了详细介绍,同时介绍了表面等离子共振技术在食品安全、医学诊断及环境监测中的应用。
关键词:表面等离子共振;SPR传感器;生物化学检测
表面等离子共振(SPR)是电磁波所激励的在金属和电介质交界面上形成的影响电磁波传播的谐振波。当光以全反射角入射到交界面上时,一部分入射光被耦合进表面等离子体内,即在表面等离子体中存在着光的消失场。如果入射光的波矢量沿着平行于交界面方向的分量与表面等离子波(SPW)的波矢量相等,表面等离子体在光的消失场中谐振,光波在传播过程中发生能量损失,在宏观上表现为某些光谱被强烈吸收。事实上SPW对介质的折射率的微小变化极其敏感。如果让样品媒介与电介质接触,由于存在着吸附或者化学反应,介质折射率发生变化。
在20世纪的初期,Wood[1]等人就利用衍射光栅观测到光栅的反常衍射现象,第一次公开对表面等离子波进行描述。1909年,索末菲从麦克斯韦的电磁理论出发,,,Fano用金属与空气界面的表面电磁波来激励等离子波,并对其进行了解析,1957年,Ritcl1ie发现电子穿过金属薄膜时产生的“能量降低”现象,第一次提出“金属等离子体”概念。1959年,'ell称这种现象为“表面等离子共振”(Surface Plasmon Resonance)。1988年,Kretsehmdnn[2]和Otto[3]用衰减全反射方法证实了表面等离子共振现象的存在。根据这一原理
,人们研究了各种的SPR传感器,这类传感器的优点是测量的准确性高,响应速度快,体积小,免标记以及抗干扰能力强等。因此SPR传感器在食品安全、医学诊断以及环境监测等领域具有广泛的应用前景。
如果光波从光密介质(折射率大)射向光疏介质(折射率小),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。全反射时光波将透入第二介质(光疏介质)很薄的一层表面(深度约为光波波长),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。其光路图如图1所示:
x
n1
n2<n1
倏逝波
图1 倏逝波光路图
在两介质的界面镀上一层很薄的金属薄膜,薄膜厚度在倏逝波进入第二介质深度之内。当一束单频线偏振光以大于全反射临界角的某一角度入射时,如果其频率与金属表面振荡的自由电子(即等离子)频率一致,则金属表面的等离子就吸收入射光的能量发生共振,这一现象就是表面等离子共振(surface plasmon resonance, SPR),此时的入射角称为共振角。激发表面等离子共振的实质在于光波以倏逝波的形式将能量转移成表面等离子共振波,这时,反射光的强度和相位均发生剧烈变化。
R传感器分类及结构
光学SPR传感器在结构上可分为:棱镜耦合式SPR传感器、集成光波导耦合式
SPR传感器、光纤式SPR传感器和光栅耦合式SPR传感器。如果按照测量方式,则可分为:
(1)角度指示型:固定入射光波长,观测反射光归一化强度达到最小时的入射角;
(2)波长指示型:固定入射光的入射角,测量反射光归一化强度达到最小时的波
长;
(3)光强指示型:固定入射光的入射角和波长,测量反射光的归一化光强;
(4)相位指示型:固定入射光的角度和波长,测量入射光和反射光的相位差。此
外,根据支撑表面等离子体的金属膜不同,则有金膜型和银膜型。对光纤SPR
传感器,还有单模光纤和多模光纤之分。
基于波长调制的SPR传感器装置结构如图2所示:
Computer
Prism
L C P D
G
CCD
Au
B
Sample in
Sample out
Glass slide
Au film
Prism
L:卤钨灯;C:平行光管;P:偏振片;D:光阑;G:光栅;B:玻片
图2 波