Плазмонный резонанс

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Плазмонный резонанс
Классификация: Локализованный плазмонный резонанс[1]
Группа: Плазмон, резонанс

Плазмонный резонанс (англ. plasmon resonance) — это резонансные колебания электронов при возбуждении поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной (в случае наноразмерных металлических структур называется локализованным плазмонным резонансом)[1]. Этот эффект лежит в основе многих инструментов для измерения адсорбции материала на поверхностях металлов, для которых характерно явление поверхностного плазмонного резонанса (ППР)[2].

История[править | править код]

С момента первого наблюдения Вуда в 1902 году физический феномен ППР стал по экспоненте набирать свою популярность. Ученый заметил аномальные темные и светлые полосы в отраженном свете[3][4][5]. Лорд Рэйли смог физически интерпретировать эту аномалию, но объяснение данного явления было оставалось невозможным[6]. В 1968 году Отто и Кречманн сообщили о явлении поверхностного плазмонного резонанса[7].

В 1983 году ППР впервые использовали для SPR-диагностики биомолекул[8]. А в 2006 году появился первый коммерческий продукт - прибор Biacore для изучения биомолекулярных взаимодействий[9].

Biacore 3000 Surface Plasmon Resonance (SPR) Instrument

С тех пор зондирование SPR получает постоянно растущее внимание со стороны научного сообщества. SPR быстро набирает обороты в области количественного анализа в клинической лаборатории для иммуноферментного анализа, обнаружения мутаций, терапевтического мониторинга лекарственных средств (TDM) и тд. В период с 2005-2015 год SPR диагностика перешла от обычных призм Кречманна до нового поколения волоконных сенсоров с микро или нано структурами для усиления SPR[10].

Плазмон[править | править код]

Необходимым условием для генерации поверхностных плазмонов является наличие свободных электронов на границе раздела двух материалов. На практике это всегда означает, что одним из этих материалов является металл (обычно золото), где много свободных электронов. Это условие естественно следует из анализа границы раздела металл/ диэлектрик методом уравнения Максвелла. Из этого анализа вырисовывается картина, что поверхностные плазмоны можно рассматривать как распространяющиеся волны электронной плотности, возникающие на границе раздела между металлом и диэлектриком[11].

Nanoparticle Plasmon Resonance

Объяснение[править | править код]

Поверхностный плазмонный резонанс

Технический прием, позволяющий использовать поверхностные плазмоны в оптике, основан на использовании полного внутреннего отражения. При полном внутреннем отражении вдоль отражающей свет поверхности распространяется электромагнитная волна, скорость которой и зависит от угла падения. Если при определённом угле падения скорость этой волны совпадет со скоростью поверхностного плазмона на поверхности металла, то условия полного внутреннего отражения нарушатся, и отражение перестанет быть полным, возникнет поверхностный плазмонный резонанс[1].

Постоянная распространения[en] поверхностной плазмонной волны, распространяющейся на границе раздела диэлектрика и металла, определяется следующим выражением:

где k обозначает волновое число в свободном пространстве,  — диэлектрическую проницаемость металла и  — показатель преломления диэлектрика[12].

Из выражения следует, что золото, серебро и ещё несколько металлов удовлетворяют условию .

В наноразмерных металлических системах происходит модификация коллективных электронных возбуждений. Коллективное электронное возбуждение металлических наночастиц, размер которых меньше длины волны электромагнитного излучения в окружающей среде — локализованный поверхностный плазмон, — колеблется на частоте, меньшей частоты объемного плазмона в √3 раз, тогда как частота поверхностного плазмона примерно в √2 раз меньше, чем частота объемного плазмона. При совпадении частоты внешнего поля с частотой локализованного поверхностного плазмона возникает резонанс, приводящий к резкому усилению поля на поверхности частицы и увеличению сечения экстинкции[1].

Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами[1].

Приложения[править | править код]

Так как длина распространения поверхностно плазмонных волн (ППВ) очень ограничена, чувствительное действие осуществляется непосредственно в области, где ППВ возбуждается оптической волной. Оптическая система, используемая для возбуждения ППВ одновременно используется для измерения SPR. Таким образом, чувствительность датчиков SPR не может выиграть от увеличения длины взаимодействия датчика, как это обычно происходит в датчиках, использующих управляемые режимы диэлектрических волноводов. Константа распространения ППВ всегда выше, чем константа распространения оптической волны в диэлектрике, и поэтому ППВ не может быть возбужден непосредственно падающей оптической волной на плоской границе раздела металл–диэлектрик. Поэтому импульс падающей оптической волны должен быть увеличен, чтобы соответствовать импульсу ППВ. Это изменение импульса обычно достигается с помощью ослабленного полного отражения в призменных ответвителях и оптических волноводах, а также дифракции на поверхности дифракционных решеток.

В датчиках SPR обычно используются следующие основные подходы к обнаружению:

1. Измерение интенсивности оптической волны вблизи резонанса[13][14].

2. Измерение резонансного импульса оптической волны, включая угловое[15][16] и волновое измерение SPR[17][18][19].

Surface Plasmon Resonance (SPR) Operations A.jpg
Схема датчика, использующего поверхностный плазмонный резонанс

Иммуноанализ SPR[править | править код]

Первый иммуноферментный анализ на SPR был предложен в 1983 году Лидбергом, Ниландером и Лундстремом, работавшими в то время из Технологического института Линчёпинга (Швеция)[13].  Они адсорбировали человеческий IgG на серебряную пленку толщиной 600 ангстрем и использовали анализ для обнаружения антител к человеческому IgG в водном растворе. В отличие от многих других иммуноанализов, таких как ELISA , иммуноанализ SPR не содержит меток, поскольку молекула-метка не требуется для обнаружения аналита[20].  Кроме того, измерения SPR можно отслеживать в реальном времени, что позволяет отслеживать отдельные этапы последовательных событий связывания, что особенно полезно при оценке, например, сэндвич-комплексов.

Интерпретация данных[править | править код]

Наиболее распространенная интерпретация данных основана на формулах Френеля , которые рассматривают сформированные тонкие пленки как бесконечные сплошные диэлектрические слои. Эта интерпретация может привести к множеству возможных значений показателя преломления и толщины. Однако обычно только одно решение находится в пределах разумного диапазона данных. В многопараметрическом поверхностном плазмонном резонансе две кривые ППР получают путем сканирования диапазона углов на двух разных длинах волн, что приводит к уникальному решению как для толщины, так и для показателя преломления.

Плазмоны металлических частиц обычно моделируются с использованием теории рассеяния Ми .

Во многих случаях подробные модели не применяются, но датчики калибруются для конкретного применения и используются с интерполяцией в пределах калибровочной кривой.

Характеристика материала[править | править код]

Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс , особая конфигурация SPR, может использоваться для характеристики слоев и стопок слоев. Помимо кинетики связывания, MP-SPR может также предоставить информацию о структурных изменениях с точки зрения истинной толщины слоя и показателя преломления. MP-SPR был успешно применен в измерениях нацеливания и разрыва липидов[21],  CVD-осажденного одиночного монослоя графена (3,7 Å)[22] ,а также полимеров микрометровой толщины[23].

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 3 4 5 Наймушина Дарья Анатольевна. Плазмонный резонанс, «Словарь нанотехнологичных терминов». Роснано. Дата обращения: 21 августа 2012. Архивировано 1 ноября 2012 года.
  2. M. A. Ordal, L. L. Long, R. J. Bell, S. E. Bell, R. R. Bell. Optical properties of the metals Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, and W in the infrared and far infrared (EN) // Applied Optics. — 1983-04-01. — Т. 22, вып. 7. — С. 1099–1119. — ISSN 2155-3165. — doi:10.1364/AO.22.001099.
  3. Andreas Otto. Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection (англ.) // Zeitschrift für Physik A Hadrons and nuclei. — 1968-08-01. — Vol. 216, iss. 4. — P. 398–410. — ISSN 0939-7922. — doi:10.1007/BF01391532.
  4. R. W. Wood. XLII. On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — 1902-09-01. — Т. 4, вып. 21. — С. 396–402. — ISSN 1941-5982. — doi:10.1080/14786440209462857.
  5. R.W. Wood. XXVII. Diffraction gratings with controlled groove form and abnormal distribution of intensity (англ.) // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — 1912-02. — Vol. 23, iss. 134. — P. 310–317. — ISSN 1941-5990 1941-5982, 1941-5990. — doi:10.1080/14786440208637224.
  6. Lord Rayleigh O. M. Pres R.S. XII. On our perception of sound direction // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — 1907-02-01. — Т. 13, вып. 74. — С. 214–232. — ISSN 1941-5982. — doi:10.1080/14786440709463595.
  7. Karl Zilles, Este Armstrong, Axel Schleicher, Hans-Joachim Kretschmann. The human pattern of gyrification in the cerebral cortex (англ.) // Anatomy and Embryology. — 1988-11-01. — Vol. 179, iss. 2. — P. 173–179. — ISSN 1432-0568. — doi:10.1007/BF00304699.
  8. Matthew Fivash, Eric M Towler, Robert J Fisher. BIAcore for macromolecular interaction (англ.) // Current Opinion in Biotechnology. — 1998-02-01. — Vol. 9, iss. 1. — P. 97–101. — ISSN 0958-1669. — doi:10.1016/S0958-1669(98)80091-8.
  9. Laure Jason‐Moller, Michael Murphy, JoAnne Bruno. Overview of Biacore Systems and Their Applications (англ.) // Current Protocols in Protein Science. — 2006. — Vol. 45, iss. 1. — P. 19.13.1–19.13.14. — ISSN 1934-3663. — doi:10.1002/0471140864.ps1913s45.
  10. Pranveer Singh. SPR Biosensors: Historical Perspectives and Current Challenges (англ.) // Sensors and Actuators B: Chemical. — 2016-06-28. — Vol. 229. — P. 110–130. — ISSN 0925-4005. — doi:10.1016/j.snb.2016.01.118.
  11. Richard B. M. Schasfoort. Handbook of Surface Plasmon Resonance: 2nd Edition. — Royal Society of Chemistry, 2017-05-30. — 555 с. — ISBN 978-1-78262-730-2.
  12. Jiřı́ Homola, Sinclair S. Yee, Günter Gauglitz. Surface plasmon resonance sensors: review (англ.) // Sensors and Actuators B: Chemical. — 1999-01-25. — Vol. 54, iss. 1. — P. 3–15. — ISSN 0925-4005. — doi:10.1016/S0925-4005(98)00321-9.
  13. 1 2 Bo Liedberg, Claes Nylander, Ingemar Lunström. Surface plasmon resonance for gas detection and biosensing (англ.) // Sensors and Actuators. — 1983-01-01. — Vol. 4. — P. 299–304. — ISSN 0250-6874. — doi:10.1016/0250-6874(83)85036-7.
  14. M. Manuel, B. Vidal, Raul López, Salvador Alegret, Julian Alonso-Chamarro. Determination of probable alcohol yield in musts by means of an SPR optical sensor (англ.) // Sensors and Actuators B: Chemical. — 1993-03-01. — Vol. 11, iss. 1. — P. 455–459. — ISSN 0925-4005. — doi:10.1016/0925-4005(93)85287-K.
  15. Koji Matsubara, Satoshi Kawata, Shigeo Minami. Optical chemical sensor based on surface plasmon measurement (EN) // Applied Optics. — 1988-03-15. — Т. 27, вып. 6. — С. 1160–1163. — ISSN 2155-3165. — doi:10.1364/AO.27.001160.
  16. B. Liedberg, I. Lundström, E. Stenberg. Principles of biosensing with an extended coupling matrix and surface plasmon resonance (англ.) // Sensors and Actuators B: Chemical. — 1993-03-01. — Vol. 11, iss. 1. — P. 63–72. — ISSN 0925-4005. — doi:10.1016/0925-4005(93)85239-7.
  17. L.-M. Zhang, D. Uttamchandani. Optical chemical sensing employing surface plasmon resonance (англ.) // Electronics Letters. — 1988-11-10. — Vol. 24, iss. 23. — P. 1469–1470. — ISSN 1350-911X. — doi:10.1049/el:19881004.
  18. R. C. Jorgenson, S. S. Yee. A fiber-optic chemical sensor based on surface plasmon resonance (англ.) // Sensors and Actuators B: Chemical. — 1993-04-15. — Vol. 12, iss. 3. — P. 213–220. — ISSN 0925-4005. — doi:10.1016/0925-4005(93)80021-3.
  19. P. S. Vukusic, G. P. Bryan-Brown, J. R. Sambles. Surface plasmon resonance on gratings as a novel means for gas sensing (англ.) // Sensors and Actuators B: Chemical. — 1992-05-01. — Vol. 8, iss. 2. — P. 155–160. — ISSN 0925-4005. — doi:10.1016/0925-4005(92)80173-U.
  20. Guan Xiang Du, Tetsuji Mori, Michiaki Suzuki, Shin Saito, Hiroaki Fukuda. Evidence of localized surface plasmon enhanced magneto-optical effect in nanodisk array // Applied Physics Letters. — 2010-02-22. — Т. 96, вып. 8. — С. 081915. — ISSN 0003-6951. — doi:10.1063/1.3334726.
  21. Niko Granqvist, Marjo Yliperttula, Salla Välimäki, Petri Pulkkinen, Heikki Tenhu. Control of the Morphology of Lipid Layers by Substrate Surface Chemistry // Langmuir. — 2014-03-18. — Т. 30, вып. 10. — С. 2799–2809. — ISSN 0743-7463. — doi:10.1021/la4046622.
  22. Henri Jussila, He Yang, Niko Granqvist, Zhipei Sun. Surface plasmon resonance for characterization of large-area atomic-layer graphene film (EN) // Optica. — 2016-02-20. — Т. 3, вып. 2. — С. 151–158. — ISSN 2334-2536. — doi:10.1364/OPTICA.3.000151.
  23. Kristiina Korhonen, Niko Granqvist, Jarkko Ketolainen, Riikka Laitinen. Monitoring of drug release kinetics from thin polymer films by multi-parametric surface plasmon resonance (англ.) // International Journal of Pharmaceutics. — 2015-10-15. — Vol. 494, iss. 1. — P. 531–536. — ISSN 0378-5173. — doi:10.1016/j.ijpharm.2015.08.071.

См. также[править | править код]

Литература[править | править код]

  • Перлин Е.Ю., Вартанян Т. А., Федоров А. В. Физика твердого тела. Оптика полупроводников, диэлектриков, металлов: Учебное пособие.. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. — 216 с.
  • Pompa P. P., Martiradonna L. et al. Metal-enhanced fluorescence of colloidal nanocrystals with nanoscale control // Nature Nanotechnology. 2006. V. 1. P. 126—130.