表面等离激元共振.ppt

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1、表面等离激元共振Surface Plasmon Resonance三级物理实验内容简介l 实验目的l 实验简介l 实验原理l 实验仪器l 实验步骤l 实验内容l 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 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

2、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

3、台商品化SPR 仪器 基本概念l 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 l 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 l 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 大于临界角c时,将发生全反射，在全内反射（Total Internal Reflected,TIR）条件下

4、，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倏逝波 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。倏逝波（Evanescent Wave）界面光密 n1光疏n2全反射的光波会渗入光疏介质约为一个波

5、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。应用l 免疫测定l 蛋白质相互作用测定l 抗体与抗原的反应测定l DNA 与蛋白质相互作用分析 药物筛选及鉴定 环境监测 毒品与食品监测 生物科技SPR传感技术的优点l 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，

6、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。l 实时检测。采用SPR 传感技术，反应的进展情况可以直接地显示在计算机屏幕上，这种对实验步骤地实时反馈，加快了实验开发和分析的速度。最为吸引人的是，SPR 传感技术可以对反应进行动力学参数分析，这是其他分析方法所无法比拟的。l 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。实验原理棱镜式结构理论计算公式倏逝波强度表达式：表面等离子体激元的波矢的模：其中：

7、折射率与共振角之间的关系：产生SPR现象的条件：实验仪器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）34、敏感部件 数字功率计实验步骤l 分光计和实验部件已安装完成，无需重新调试l 传感中心调整l 样品测量读数实验内容l 纯水测量l 无水乙醇测量l 水与乙醇比例为1:1 的溶液测量l 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找出共振角计算折射率K9 玻璃折射率 n=1.5163水的折射率n=1.3333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】l l 眼睛不要与

8、激光对视l l 数字功率计在测量10分钟前打开预热稳定，测量结束后立刻关闭l l 不能手碰光学元件的表面【思考题】l l 测量液体折射率的方法你知道有几种？具体说明 测量液体折射率的方法你知道有几种？具体说明l l 什么是表面等离激元共振现象？什么是表面等离激元共振现象？l l 什么是倏逝波？什么是倏逝波？l l SPR SPR 传感技术有哪些优点？有哪些应用？传感技术有哪些优点？有哪些应用？l l 本实验中的 本实验中的SPR SPR 敏感部件的结构是什么？具体使用注意事 敏感部件的结构是什么？具体使用注意事项是什么？项是什么？l l 实验中如何正确操作光强探测器反射光的光强？实验中如何正确操作光强探测器反射光的光强？l l 偏振光中的 偏振光中的p p 光和 光和s s 光是如何定义的？光是如何定义的？SPR SPR 中使用何种偏振 中使用何种偏振光？光？l l 调准星有什么作用？如果不准会怎样？调准星有什么作用？如果不准会怎样？l l 结合本次实验，解释共振吸收峰 结合本次实验，解释共振吸收峰