表面等離激元共振實驗課件

1、表面等離激元共振Surface Plasmon Resonance,三級物理實驗,內容簡介,實驗目的 實驗簡介 實驗原理 實驗儀器 實驗步驟 實驗內容 數(shù)據(jù)記錄與處理,實驗目的,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,SPR發(fā)展簡介,1、1902年Wood就在光學實驗中首次發(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

2、。Ritchie注意到當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。 3、1959年Powell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傳感器結構技術奠定了基礎 6、1983年Liedburg將SPR用于IgG與其抗原的反應測定 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,基本概念,表面等離激元共

3、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 理論上，一個表面全內部反射的光誘發(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和強度隨著表面距離增加而呈指數(shù)遞增。在波導/金屬表面相交處，從波導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 當入射光從折射率為n1的光密介質照射到折射率為n2的光疏介質發(fā)生全反射時，在2 種介質的交界面處將同時發(fā)生折射和反射，當入射角大于臨界角c時,將發(fā)生全反射，在全內反射（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

4、小為零，而會滲入光疏介質中產(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，而是滲入光疏介質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，沿著反射光方向射出。這個沿著光疏介質表面流動的波稱為倏逝波,金屬板中電子氣的位移,（上）金屬離子（+）位于“電子海洋”中（灰色背景），（下）電子集體向右移動,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。,倏逝波（Evanescent Wave）,界面,光密 n1,光疏n2,全反射的光波會滲入光疏介質約為一個波長的深度，再沿界面流動約半個波長再返回光

5、密介質。光的總能量沒有發(fā)生改變。這個沿著光疏介質表面流動的波稱為倏逝波,SPR光學原理,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中，而在介質（假設為金屬介質）中又存在一定的等離子波。當兩波相遇時可能會發(fā)生共振。,應用,免疫測定 蛋白質相互作用測定 抗體與抗原的反應測定 DNA與蛋白質相互作用分析,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,SPR傳感技術的優(yōu)點,免標記檢測。SPR傳感技術對被測物質的折射率非常敏感，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記等樣品準備步驟，大大節(jié)省了額外的時間，并消除了標記物對反應造成干擾的可能性；另外，它可

6、以觀察每個實驗步驟對反應的影響，而不像其他實驗方法只能得到實驗的最終結果。 實時檢測。采用SPR傳感技術，反應的進展情況可以直接地顯示在計算機屏幕上，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傳感技術可以對反應進行動力學參數(shù)分析，這是其他分析方法所無法比擬的。 無損傷檢測。SPR傳感技術是一種光學檢測方法，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。,實驗原理,棱鏡式結構,理論計算公式,倏逝波強度表達式：,表面等離子體激元的波矢的模：,其中：,折射率與共振角之間的關系：,產(chǎn)生SPR現(xiàn)象的

7、條件：,實驗儀器,29、激光器 30、光電探頭 31、偏振器 32、微調座 33、準星（圖中未標出） 34、敏感部件,數(shù)字功率計,實驗步驟,分光計和實驗部件已安裝完成，無需重新調試 傳感中心調整 樣品測量讀數(shù),實驗內容,純水測量 無水乙醇測量 水與乙醇比例為1:1的溶液測量 不同濃度的羅丹明6G溶液測量(選做內容）,數(shù)據(jù)記錄,數(shù)據(jù)處理,找出共振角 計算折射率,K9玻璃折射率 n=1.5163 水的折射率 n=1.3333,應用舉例-LB膜測定,實驗的難點和重點,中心對準 等高度調整 角度游標設定和調整,【注意事項】,眼睛不要與激光對視 數(shù)字功率計在測量10分鐘前打開預熱穩(wěn)定，測量結束后立刻關閉 不能手碰光學元件的表面,【思考題】,測量液體折射率的方法你知道有幾種？具體說明 什么是表面等離激元共振現(xiàn)象？ 什么是倏逝波？ SPR傳感技術有哪些優(yōu)點？有哪些應用？ 本實