表面等离激元共振实验PPT课件

1、1 表面等离激元共振表面等离激元共振 Surface Plasmon ResonanceSurface Plasmon Resonance 三级物理实验三级物理实验 2 内容简介内容简介 l 实验目的实验目的 l实验简介实验简介 l实验原理实验原理 l实验仪器实验仪器 l实验步骤实验步骤 l实验内容实验内容 l数据记录与处理数据记录与处理 3 实验目的实验目的 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 4 SPRSPR发展简介发展简介 1、190

2、2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

3、 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公司开发出首台商品化SPR仪器 5 基本概念基本概念 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

4、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，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 6 金属板中电子气的位移 （上）金属离子（上）金属离子（+）位于）位于“电子海洋电子海洋”中（灰中（灰 色背景），（下）电子集

5、体向右移动色背景），（下）电子集体向右移动 金属表面等离子波金属表面等离子波 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。 7 倏逝波（倏逝波（Evanescent Wave） 界面 光密 n1 光疏光疏n2 全反射的光波会渗入光疏介质约为一个波长的深度，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 8 SPRSPR光学原理光学原理 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。

6、当两波相遇时可能会发生共振。 9 应用应用 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 lDNA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 10 SPRSPR传感技术的优点传感技术的优点 l免标记检测免标记检测。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，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

7、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。 11 实验原理实验原理 12 棱镜式结构棱镜式结构 13 理论计算公式理论计算公式 ( )(0)exp(-) z I zI d 0 222 12 2sin d nn 2 0 2 ms sp ms n kk n 01 sin xp kk n 00 =2/k

8、 倏逝波强度表达式：倏逝波强度表达式： 表面等离子体激元的波矢的模：表面等离子体激元的波矢的模： 其中：其中： 14 2 2 sinRe ms spp ms n n n 折射率与共振角之间的关系：折射率与共振角之间的关系： 2 2 Re() sin Re() ms psp ms n n n 2 010 2 sinRe ms spp ms n kk nk n 产生产生SPRSPR现象的条件：现象的条件： sp p s m n n 为玻璃折射率 为共振角 为液体折射率 为金属的介电常数 15 实验仪器实验仪器 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 数字功率计数字功率计 16 实验步骤实验步骤 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 17 实验内容实验内容 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） 18 数据记录数据记录 次数 123 角度值 功率值 19 数据处理数据处理 4050607080 0 200 400 600 800 1000 1200 Intensity Degree H2O找出共振角找出共振角 计算折射率计算折射率 K9玻璃折射率玻