Plasmon resonans

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 24. maj 2021; checks kræver 2 redigeringer .
Plasmon resonans
Klassifikation: Lokaliseret plasmonresonans [1]
Gruppe: Plasmon , resonans

Plasmonresonans ( engelsk  plasmon resonance ) er resonansoscillationer af elektroner, når en overfladeplasmon exciteres ved sin resonansfrekvens af en ekstern elektromagnetisk bølge (i tilfælde af metalstrukturer i nanoskala kaldes det lokaliseret plasmonresonans ) [1] . Denne effekt ligger til grund for mange værktøjer til at måle adsorptionen af ​​et materiale på metaloverflader, som er karakteriseret ved fænomenet overfladeplasmonresonans (SPR; Surface plasmon resonance - SPR ) [2] .

Historie

Siden Woods første observation i 1902 er det fysiske fænomen SPR vokset eksponentielt i popularitet. Forskeren bemærkede unormale mørke og lyse bånd i det reflekterede lys [3] [4] [5] . Lord Rayleigh var i stand til fysisk at fortolke denne anomali, men forklaringen på dette fænomen forblev umulig [6] . I 1968 rapporterede Otto og Kretschmann om fænomenet overfladeplasmonresonans [7] .

I 1983 blev SPR brugt for første gang til SPR-diagnostik af biomolekyler [8] . Og i 2006 dukkede det første kommercielle produkt op - Biacore-enheden til at studere biomolekylære interaktioner [9] .

Siden da har PPR-sounding fået stadig større opmærksomhed fra det videnskabelige samfund. PPR tager hurtigt fart inden for kvantitativ analyse i det kliniske laboratorium til enzymimmunoassay, mutationsdetektion, terapeutisk lægemiddelovervågning (TDM) og meget mere. I perioden fra 2005-2015 flyttede SPR-diagnostik fra konventionelle Kretschmann-prismer til en ny generation af fibersensorer med mikro- eller nanostrukturer for at forbedre SPR [10] .

Plasmon

En nødvendig betingelse for generering af overfladeplasmoner er tilstedeværelsen af ​​frie elektroner ved grænsefladen mellem to materialer. I praksis betyder det altid, at et af disse materialer er et metal (normalt guld), hvor der er mange frie elektroner. Denne betingelse følger naturligvis af analysen af ​​metal/dielektrisk grænseflade ved hjælp af Maxwell-ligningen . Ud fra denne analyse fremkommer billedet af, at overfladeplasmoner kan betragtes som udbredte elektrondensitetsbølger , der opstår ved grænsefladen mellem et metal og et dielektrikum [11] .

Forklaring

En teknik, der tillader brugen af ​​overfladeplasmoner i optik, er baseret på brugen af ​​total intern refleksion . Med total intern refleksion udbreder en elektromagnetisk bølge sig langs overfladen og reflekterer lys, hvis hastighed afhænger af indfaldsvinklen. Hvis hastigheden af ​​denne bølge ved en bestemt indfaldsvinkel falder sammen med hastigheden af ​​en overfladeplasmon på metaloverfladen, vil betingelserne for total intern refleksion blive overtrådt, og refleksionen vil ophøre med at være fuldstændig, og en overflade plasmonresonans vil forekomme [1] .

Udbredelseskonstanten for en overfladeplasmonbølge, der udbreder sig ved grænsefladen mellem et dielektrikum og et metal, bestemmes af følgende udtryk:

hvor k angiver bølgetallet i det frie rum,  er metallets permittivitet og  er brydningsindekset for dielektrikumet [12] .

Af udtrykket følger, at guld, sølv og flere andre metaller opfylder betingelsen .

I metalliske systemer på nanoskala modificeres kollektive elektroniske excitationer. Den kollektive elektroniske excitation af metalnanopartikler, hvis størrelse er mindre end bølgelængden af ​​elektromagnetisk stråling i miljøet - en lokaliseret overfladeplasmon - oscillerer med en frekvens, der er √3 gange lavere end frekvensen af ​​bulkplasmonen, mens frekvensen af overfladeplasmonen er omkring √2 gange mindre end hyppigheden af ​​bulkplasmonen. Når frekvensen af ​​det ydre felt falder sammen med frekvensen af ​​den lokaliserede overfladeplasmon, opstår der en resonans, hvilket fører til en kraftig stigning i feltet på overfladen af ​​partiklen og en stigning i ekstinktionstværsnittet [1] .

Lokaliserede plasmoners egenskaber afhænger kritisk af formen af ​​nanopartiklerne, hvilket gør det muligt at tune systemet af deres resonans til effektiv interaktion med lys eller elementære kvantesystemer [1] .

Ansøgninger

Da udbredelseslængden af ​​overfladeplasmonbølger (SPW) er meget begrænset, udføres den følsomme handling direkte i det område, hvor SPW exciteres af en optisk bølge. Det optiske system, der bruges til at excitere SPR'en, bruges samtidig til at måle SPR'en. Følsomheden af ​​SPR-sensorer kan således ikke drage fordel af øget sensorinteraktionslængde, som det typisk sker i sensorer, der bruger kontrollerede tilstande af dielektriske bølgeledere . PPW-udbredelseskonstanten er altid højere end udbredelseskonstanten for en optisk bølge i et dielektrikum, og derfor kan PPW ikke exciteres direkte af en indfaldende optisk bølge ved en flad metal-dielektrisk grænseflade. Derfor skal momentum af den indfaldende optiske bølge øges for at matche momentum af APW. Denne momentumændring opnås normalt ved dæmpet totalrefleksion i prismekoblere og optiske bølgeledere samt diffraktion ved overfladen af ​​diffraktionsgitre.

SPR-sensorer bruger typisk følgende grundlæggende detektionsmetoder:

1. Måling af intensiteten af ​​en optisk bølge nær resonans [13] [14] .

2. Måling af en optisk bølges resonansimpuls, herunder vinkel [15] [16] og SPR bølgemåling [17] [18] [19] .

SPR immunoassay (SPR)

Den første enzymimmunoassay for SPR blev foreslået i 1983 af Lidberg, Nylander og Lundström, der dengang arbejdede ved Linköping Institute of Technology (Sverige) [13] . De adsorberede humant IgG på en 600 ångstrøm sølvfilm og brugte assayet til at detektere anti-humane IgG-antistoffer i vandig opløsning. I modsætning til mange andre immunoassays såsom ELISA, indeholder SPR immunoassayet ikke mærker, fordi der ikke kræves et mærkemolekyle for at påvise analytten [20] . Derudover kan SPR-målinger spores i realtid, hvilket giver dig mulighed for at spore individuelle trin i successive bindingshændelser, hvilket er særligt nyttigt, når du for eksempel evaluerer sandwichkomplekser.

Datafortolkning

Den mest almindelige fortolkning af dataene er baseret på Fresnel-formlerne, som behandler de dannede tynde film som uendelige kontinuerlige dielektriske lag. Denne fortolkning kan føre til mange mulige brydningsindeks og tykkelsesværdier. Men normalt er kun én løsning inden for et rimeligt dataområde. I multiparameter overfladeplasmonresonans opnås to SPR-kurver ved at scanne en række vinkler ved to forskellige bølgelængder, hvilket resulterer i en unik løsning for både tykkelse og brydningsindeks.

Metalpartikelplasmoner modelleres almindeligvis ved hjælp af Mie-spredningsteori.

I mange tilfælde bruges detaljerede modeller ikke, men sensorer kalibreres til en bestemt applikation og bruges interpoleret inden for en kalibreringskurve.

Materialets egenskaber

Multiparameter overfladeplasmonresonans, en speciel SPR-konfiguration, kan bruges til at karakterisere lag og stakke af lag. Udover bindingskinetik kan MP-SPR også give information om strukturelle ændringer i form af ægte lagtykkelse og brydningsindeks. MP-SPR er med succes blevet anvendt i målinger af målretning og forstyrrelse af lipider [21] , CVD-aflejret enkelt monolagsgrafen (3,7 Å) [22] og mikrometertykke polymerer [23] .

Noter

  1. ↑ 1 2 3 4 5 Naimushina Daria Anatolyevna. Plasmon Resonance, "A Dictionary of Nanotechnology Terms" . Rosnano . Hentet 21. august 2012. Arkiveret fra originalen 1. november 2012.
  2. ↑ MA Ordal, LL Long, RJ Bell, SE Bell, RR Bell. Optiske egenskaber af metallerne Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti og W i den infrarøde og fjerninfrarøde (EN) // Anvendt optik. — 1983-04-01. - T. 22 , nej. 7 . — S. 1099–1119 . — ISSN 2155-3165 . - doi : 10.1364/AO.22.001099 . Arkiveret fra originalen den 28. juni 2020.
  3. ↑ Andreas Otto. Excitation af ikke-strålende overfladeplasmabølger i sølv ved metoden med frustreret totalrefleksion  //  Zeitschrift für Physik A Hadrons and nuclei. - 1968-08-01. — Bd. 216 , udg. 4 . - S. 398-410 . — ISSN 0939-7922 . - doi : 10.1007/BF01391532 .
  4. ↑ RW Træ. XLII. Om et bemærkelsesværdigt tilfælde af ujævn fordeling af lys i et diffraktionsgitterspektrum  // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1902-09-01. - T. 4 , nej. 21 . — S. 396–402 . — ISSN 1941-5982 . - doi : 10.1080/14786440209462857 .
  5. ↑ RW Træ. XXVII. Diffraktionsgitre med kontrolleret rilleform og unormal fordeling af intensitet  //  The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1912-02. — Bd. 23 , udg. 134 . — S. 310–317 . - ISSN 1941-5990 1941-5982, 1941-5990 . - doi : 10.1080/14786440208637224 .
  6. ↑ Lord Rayleigh OM Pres RS XII. Om vores opfattelse af lydretning  // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — 1907-02-01. - T. 13 , nej. 74 . — S. 214–232 . — ISSN 1941-5982 . doi : 10.1080 / 14786440709463595 .
  7. ↑ Karl Zilles, Este Armstrong, Axel Schleicher, Hans-Joachim Kretschmann. Det menneskelige mønster af gyrifikation i hjernebarken  (engelsk)  // Anatomy and Embryology. - 1988-11-01. — Bd. 179 , udg. 2 . - S. 173-179 . — ISSN 1432-0568 . - doi : 10.1007/BF00304699 .
  8. ↑ Matthew Fivash, Eric M Towler, Robert J Fisher. BIAcore for makromolekylær interaktion  (engelsk)  // Current Opinion in Biotechnology. - 1998-02-01. — Bd. 9 , iss. 1 . — S. 97–101 . — ISSN 0958-1669 . - doi : 10.1016/S0958-1669(98)80091-8 .
  9. ↑ Laure Jason-Moller, Michael Murphy, JoAnne Bruno. Oversigt over Biacore-systemer og deres anvendelser  //  Aktuelle protokoller i proteinvidenskab. - 2006. - Bd. 45 , iss. 1 . — S. 19.13.1–19.13.14 . — ISSN 1934-3663 . - doi : 10.1002/0471140864.ps1913s45 .
  10. ↑ Pranveer Singh. SPR Biosensorer: Historiske perspektiver og aktuelle udfordringer  //  Sensorer og aktuatorer B: Kemisk. — 2016-06-28. — Bd. 229 . — S. 110–130 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/j.snb.2016.01.118 . Arkiveret fra originalen den 18. januar 2017.
  11. ↑ Richard BM Schasfoort. Handbook of Surface Plasmon Resonance: 2. udgave . - Royal Society of Chemistry, 2017-05-30. — 555 s. - ISBN 978-1-78262-730-2 .
  12. ↑ Jiřı́ Homola, Sinclair S. Yee, Günter Gauglitz. Overfladeplasmonresonanssensorer: gennemgang  //  Sensorer og aktuatorer B: Kemisk. — 1999-01-25. — Bd. 54 , udg. 1 . — S. 3–15 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/S0925-4005(98)00321-9 . Arkiveret fra originalen den 10. januar 2014.
  13. ↑ 1 2 Bo Liedberg, Claes Nylander, Ingemar Lunström. Overfladeplasmonresonans til gasdetektion og biosensing  //  Sensorer og aktuatorer. - 1983-01-01. — Bd. 4 . — S. 299–304 . — ISSN 0250-6874 . - doi : 10.1016/0250-6874(83)85036-7 . Arkiveret fra originalen den 12. januar 2012.
  14. ↑ M. Manuel, B. Vidal, Raul Lopez, Salvador Alegret, Julian Alonso-Chamarro. Bestemmelse af sandsynligt alkoholudbytte i most ved hjælp af en SPR optisk sensor  //  Sensorer og aktuatorer B: Kemisk. - 1993-03-01. — Bd. 11 , iss. 1 . — S. 455–459 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(93)85287-K .
  15. ↑ Koji Matsubara, Satoshi Kawata, Shigeo Minami. Optisk kemisk sensor baseret på overfladeplasmonmåling (EN) // Applied Optics. - 15-03-1988. - T. 27 , no. 6 . - S. 1160-1163 . — ISSN 2155-3165 . - doi : 10.1364/AO.27.001160 . Arkiveret fra originalen den 12. august 2020.
  16. ↑ B. Liedberg, I. Lundström, E. Stenberg. Principper for biosensing med en udvidet koblingsmatrix og overfladeplasmonresonans  //  Sensorer og aktuatorer B: Kemisk. - 1993-03-01. — Bd. 11 , iss. 1 . — S. 63–72 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(93)85239-7 .
  17. ↑ L.-M. Zhang, D. Uttamchandani. Optisk kemisk sensing ved brug af overfladeplasmonresonans  //  Elektronikbogstaver. — 10-11-1988. — Bd. 24 , udg. 23 . - S. 1469-1470 . — ISSN 1350-911X . - doi : 10.1049/el:19881004 . Arkiveret 10. november 2020.
  18. ↑ R. C. Jorgenson, S. S. Yee. En fiberoptisk kemisk sensor baseret på overfladeplasmonresonans  //  Sensorer og aktuatorer B: Kemisk. - 1993-04-15. — Bd. 12 , udg. 3 . — S. 213–220 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(93)80021-3 . Arkiveret fra originalen den 11. februar 2012.
  19. ↑ PS Vukusic, GP Bryan-Brown, JR Sambles. Overfladeplasmonresonans på gitre som et nyt middel til gassensing  //  Sensorer og aktuatorer B: Kemisk. - 1992-05-01. — Bd. 8 , iss. 2 . — S. 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. Bevis for lokaliseret overfladeplasmonforstærket magneto-optisk effekt i nanodisk-array  // Applied Physics Letters. - 2010-02-22. - T. 96 , nr. 8 . - S. 081915 . — ISSN 0003-6951 . - doi : 10.1063/1.3334726 .
  21. ↑ Niko Granqvist, Marjo Yliperttula, Salla Välimäki, Petri Pulkkinen, Heikki Tenhu. Kontrol af morfologien af ​​lipidlag ved substratoverfladekemi  // Langmuir. — 2014-03-18. - T. 30 , nej. 10 . — S. 2799–2809 . — ISSN 0743-7463 . - doi : 10.1021/la4046622 .
  22. ↑ Henri Jussila, He Yang, Niko Granqvist, Zhipei Sun. Overfladeplasmonresonans til karakterisering af atomlagsgrafenfilm med stort område (EN) // Optica. — 2016-02-20. - T. 3 , nej. 2 . — S. 151–158 . — ISSN 2334-2536 . - doi : 10.1364/OPTICA.3.000151 . Arkiveret 3. maj 2020.
  23. ↑ Kristiina Korhonen, Niko Granqvist, Jarkko Ketolainen, Riikka Laitinen. Overvågning af lægemiddelfrigivelseskinetik fra tynde polymerfilm ved multiparametrisk overfladeplasmonresonans  (engelsk)  // International Journal of Pharmaceutics. — 2015-10-15. — Bd. 494 , udg. 1 . — S. 531–536 . — ISSN 0378-5173 . - doi : 10.1016/j.ijpharm.2015.08.071 .

Se også

Litteratur