Plasmonresonans

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 24 maj 2021; kontroller kräver 2 redigeringar .
Plasmonresonans
Klassificering: Lokaliserad plasmonresonans [1]
Grupp: Plasmon , resonans

Plasmonresonans ( engelska  plasmon resonance ) är resonanssvängningar av elektroner när en ytplasmon exciteras vid sin resonansfrekvens av en extern elektromagnetisk våg (i fallet med metallstrukturer i nanoskala kallas det lokaliserad plasmonresonans ) [1] . Denna effekt ligger till grund för många verktyg för att mäta adsorptionen av ett material på metallytor, vilka kännetecknas av fenomenet ytplasmonresonans (SPR; Surface plasmon resonance - SPR ) [2] .

Historik

Sedan Woods första observation 1902 har det fysiska fenomenet SPR växt exponentiellt i popularitet. Forskaren märkte avvikande mörka och ljusa band i det reflekterade ljuset [3] [4] [5] . Lord Rayleigh kunde fysiskt tolka denna anomali, men förklaringen av detta fenomen förblev omöjlig [6] . 1968 rapporterade Otto och Kretschmann om fenomenet ytplasmonresonans [7] .

1983 användes SPR för första gången för SPR-diagnostik av biomolekyler [8] . Och 2006 dök den första kommersiella produkten upp - Biacore-enheten för att studera biomolekylära interaktioner [9] .

Sedan dess har PPR-ljud fått ständigt ökande uppmärksamhet från det vetenskapliga samfundet. PPR tar snabbt fart inom området kvantitativ analys i det kliniska laboratoriet för enzymimmunanalys, mutationsdetektion, terapeutisk läkemedelsövervakning (TDM) med mera. Under perioden 2005-2015 flyttade SPR-diagnostik från konventionella Kretschmann-prismor till en ny generation av fibersensorer med mikro- eller nanostrukturer för att förbättra SPR [10] .

Plasmon

En nödvändig förutsättning för generering av ytplasmoner är närvaron av fria elektroner vid gränsytan mellan två material. I praktiken betyder det alltid att ett av dessa material är en metall (oftast guld), där det finns många fria elektroner. Detta tillstånd följer naturligtvis av analysen av metall/dielektriskt gränssnitt med hjälp av Maxwell-ekvationen . Från denna analys framkommer bilden av att ytplasmoner kan betraktas som fortplantande elektrondensitetsvågor som uppstår vid gränsytan mellan en metall och ett dielektrikum [11] .

Förklaring

En teknik som tillåter användning av ytplasmoner i optik är baserad på användningen av total intern reflektion . Med total intern reflektion utbreder sig en elektromagnetisk våg längs ytan och reflekterar ljus, vars hastighet beror på infallsvinkeln. Om, vid en viss infallsvinkel, hastigheten på denna våg sammanfaller med hastigheten för en ytplasmon på metallytan, kommer villkoren för total intern reflektion att kränkas, och reflektionen kommer att upphöra att vara fullständig, och en yta plasmonresonans kommer att uppstå [1] .

Utbredningskonstanten för en ytplasmonvåg som utbreder sig vid gränsytan mellan ett dielektrikum och en metall bestäms av följande uttryck:

där k betecknar vågtalet i det fria utrymmet,  är metallens permittivitet och  är brytningsindexet för dielektrikumet [12] .

Av uttrycket följer att guld, silver och flera andra metaller uppfyller villkoret .

I metalliska system i nanoskala modifieras kollektiva elektroniska excitationer. Den kollektiva elektroniska exciteringen av metallnanopartiklar, vars storlek är mindre än våglängden för elektromagnetisk strålning i miljön - en lokaliserad ytplasmon - oscillerar med en frekvens som är √3 gånger lägre än frekvensen för bulkplasmonen, medan frekvensen av ytplasmonen är ungefär √2 gånger mindre än frekvensen av bulkplasmonen. När frekvensen av det yttre fältet sammanfaller med frekvensen av den lokaliserade ytplasmonen uppstår en resonans, vilket leder till en kraftig ökning av fältet på partikelns yta och en ökning av extinktionstvärsnittet [1] .

Egenskaperna hos lokaliserade plasmoner beror kritiskt på formen på nanopartiklarna, vilket gör det möjligt att ställa in systemet för deras resonanser för effektiv interaktion med ljus eller elementära kvantsystem [1] .

Applikationer

Eftersom utbredningslängden för ytplasmonvågor (SPW) är mycket begränsad, utförs den känsliga verkan direkt i området där SPW exciteras av en optisk våg. Det optiska systemet som används för att excitera SPR används samtidigt för att mäta SPR. Sålunda kan känsligheten hos SPR-sensorer inte dra nytta av ökad sensorinteraktionslängd, vilket vanligtvis sker i sensorer som använder kontrollerade moder av dielektriska vågledare . PPW-utbredningskonstanten är alltid högre än utbredningskonstanten för en optisk våg i ett dielektrikum, och därför kan PPW inte exciteras direkt av en infallande optisk våg vid ett platt metall-dielektriskt gränssnitt. Därför måste momentumet för den infallande optiska vågen ökas för att matcha momentumet för APW. Denna momentumförändring uppnås vanligtvis genom dämpad totalreflektion i prismakopplare och optiska vågledare, såväl som diffraktion vid ytan av diffraktionsgitter.

SPR-sensorer använder vanligtvis följande grundläggande detekteringsmetoder:

1. Mätning av intensiteten hos en optisk våg nära resonans [13] [14] .

2. Mätning av resonanspulsen för en optisk våg, inklusive vinkel [15] [16] och SPR-vågsmätning [17] [18] [19] .

SPR immunoassay (SPR)

Den första enzymimmunoanalysen för SPR föreslogs 1983 av Lidberg, Nylander och Lundström, som då arbetade vid Linköpings Tekniska Högskola (Sverige) [13] . De adsorberade humant IgG på en 600 ångström silverfilm och använde analysen för att detektera anti-humana IgG-antikroppar i vattenlösning. Till skillnad från många andra immunanalyser som ELISA, innehåller SPR-immunoanalysen inga märkningar eftersom ingen märkningsmolekyl krävs för att detektera analyten [20] . Dessutom kan SPR-mätningar spåras i realtid, vilket gör att du kan spåra enskilda steg i på varandra följande bindningshändelser, vilket är särskilt användbart vid utvärdering av till exempel sandwichkomplex.

Datatolkning

Den vanligaste tolkningen av data är baserad på Fresnel-formlerna, som behandlar de bildade tunna filmerna som oändliga kontinuerliga dielektriska skikt. Denna tolkning kan leda till många möjliga brytningsindex och tjockleksvärden. Men vanligtvis ligger bara en lösning inom ett rimligt dataintervall. I multiparameter ytplasmonresonans erhålls två SPR-kurvor genom att skanna ett intervall av vinklar vid två olika våglängder, vilket resulterar i en unik lösning för både tjocklek och brytningsindex.

Metallpartikelplasmoner modelleras vanligtvis med hjälp av Mie-spridningsteori.

I många fall används inte detaljerade modeller, utan sensorer kalibreras för en viss applikation och används interpolerade inom en kalibreringskurva.

Materialets egenskaper

Multiparameter ytplasmonresonans, en speciell SPR-konfiguration, kan användas för att karakterisera lager och staplar av lager. Förutom bindningskinetik kan MP-SPR även ge information om strukturella förändringar i termer av verklig skikttjocklek och brytningsindex. MP-SPR har framgångsrikt tillämpats vid mätningar av målinriktning och störningar av lipider [21] , CVD-deponerad enkelskiktsgrafen (3,7 Å) [22] och mikrometertjocka polymerer [23] .

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 4 5 Naimushina Daria Anatolyevna. Plasmon Resonance, "A Dictionary of Nanotechnology Terms" . Rosnano . Hämtad 21 augusti 2012. Arkiverad från originalet 1 november 2012.
  2. ↑ MA Ordal, LL Long, RJ Bell, SE Bell, RR Bell. Optiska egenskaper hos metallerna Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti och W i infraröd och fjärrinfraröd (EN) // Tillämpad optik. — 1983-04-01. - T. 22 , nej. 7 . — S. 1099–1119 . — ISSN 2155-3165 . - doi : 10.1364/AO.22.001099 . Arkiverad från originalet den 28 juni 2020.
  3. ↑ Andreas Otto. Excitation av icke-strålande ytplasmavågor i silver med metoden för frustrerad totalreflektion  //  Zeitschrift für Physik A Hadrons and nuclei. - 1968-08-01. — Vol. 216 , utg. 4 . - s. 398-410 . — ISSN 0939-7922 . - doi : 10.1007/BF01391532 .
  4. ↑ RW Trä. XLII. Om ett anmärkningsvärt fall av ojämn fördelning av ljus i ett 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 Trä. XXVII. Diffraktionsgitter med kontrollerad spårform och onormal fördelning av intensitet  //  The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1912-02. — Vol. 23 , iss. 134 . — S. 310–317 . - ISSN 1941-5990 1941-5982, 1941-5990 . - doi : 10.1080/14786440208637224 .
  6. ↑ Lord Rayleigh OM Pres RS XII. Om vår uppfattning om ljudriktning  // 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 mänskliga mönstret av gyrifiering i hjärnbarken  (engelska)  // Anatomy and Embryology. - 1988-11-01. — Vol. 179 , iss. 2 . - S. 173-179 . — ISSN 1432-0568 . - doi : 10.1007/BF00304699 .
  8. ↑ Matthew Fivash, Eric M Towler, Robert J Fisher. BIAcore for macromolecular interaction  (engelska)  // Current Opinion in Biotechnology. - 1998-02-01. — Vol. 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. Översikt över Biacore-system och deras tillämpningar  //  Current Protocols in Protein Science. - 2006. - Vol. 45 , iss. 1 . — S. 19.13.1–19.13.14 . — ISSN 1934-3663 . - doi : 10.1002/0471140864.ps1913s45 .
  10. ↑ Pranveer Singh. SPR Biosensorer: Historiska perspektiv och nuvarande utmaningar  //  Sensorer och ställdon B: Kemisk. — 2016-06-28. — Vol. 229 . — S. 110–130 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/j.snb.2016.01.118 . Arkiverad från originalet den 18 januari 2017.
  11. ↑ Richard BM Schasfoort. Handbook of Surface Plasmon Resonance: 2nd Edition . - Royal Society of Chemistry, 2017-05-30. — 555 sid. - ISBN 978-1-78262-730-2 .
  12. ↑ Jiřı́ Homola, Sinclair S. Yee, Günter Gauglitz. Ytplasmonresonanssensorer: granskning  //  Sensorer och ställdon B: Kemisk. — 1999-01-25. — Vol. 54 , iss. 1 . — S. 3–15 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/S0925-4005(98)00321-9 . Arkiverad från originalet den 10 januari 2014.
  13. ↑ 1 2 Bo Liedberg, Claes Nylander, Ingemar Lunström. Ytplasmonresonans för gasdetektion och biosensing  //  Sensorer och ställdon. - 1983-01-01. — Vol. 4 . — S. 299–304 . — ISSN 0250-6874 . - doi : 10.1016/0250-6874(83)85036-7 . Arkiverad från originalet den 12 januari 2012.
  14. ↑ M. Manuel, B. Vidal, Raul Lopez, Salvador Alegret, Julian Alonso-Chamarro. Bestämning av sannolik alkoholhalt i must med hjälp av en SPR optisk sensor  //  Sensorer och ställdon B: Kemisk. - 1993-03-01. — Vol. 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 baserad på ytplasmonmätning (EN) // Applied Optics. - 1988-03-15. - T. 27 , nej. 6 . - S. 1160-1163 . — ISSN 2155-3165 . - doi : 10.1364/AO.27.001160 . Arkiverad från originalet den 12 augusti 2020.
  16. ↑ B. Liedberg, I. Lundström, E. Stenberg. Principer för biosensing med en utökad kopplingsmatris och ytplasmonresonans  //  Sensorer och ställdon B: Kemisk. - 1993-03-01. — Vol. 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 avkänning som använder ytplasmonresonans  //  Elektronikbokstäver. — 1988-11-10. — Vol. 24 , iss. 23 . - P. 1469-1470 . — ISSN 1350-911X . - doi : 10.1049/el:19881004 . Arkiverad 10 november 2020.
  18. ↑ R. C. Jorgenson, S. S. Yee. En fiberoptisk kemisk sensor baserad på ytplasmonresonans  //  Sensors and Actuators B: Chemical. - 1993-04-15. — Vol. 12 , iss. 3 . — S. 213–220 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(93)80021-3 . Arkiverad från originalet den 11 februari 2012.
  19. ↑ PS Vukusic, GP Bryan-Brown, JR Sambles. Ytplasmonresonans på gitter som ett nytt medel för gasavkänning  //  Sensorer och ställdon B: Kemisk. - 1992-05-01. — Vol. 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 på lokaliserad ytplasmonförstärkt magneto-optisk effekt i nanodiskarray  // Applied Physics Letters. — 2010-02-22. - T. 96 , nej. 8 . - S. 081915 . — ISSN 0003-6951 . - doi : 10.1063/1.3334726 .
  21. ↑ Niko Granqvist, Marjo Yliperttula, Salla Välimäki, Petri Pulkkinen, Heikki Tenhu. Kontroll av lipidskiktens morfologi genom substratytkemi  // 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. Ytplasmonresonans för karakterisering av storarea atomskiktsgrafenfilm (EN) // Optica. — 2016-02-20. - T. 3 , nej. 2 . — S. 151–158 . — ISSN 2334-2536 . - doi : 10.1364/OPTICA.3.000151 . Arkiverad 3 maj 2020.
  23. ↑ Kristiina Korhonen, Niko Granqvist, Jarkko Ketolainen, Riikka Laitinen. Övervakning av läkemedelsfrisättningskinetik från tunna polymerfilmer genom multiparametrisk ytplasmonresonans  (engelska)  // International Journal of Pharmaceutics. — 2015-10-15. — Vol. 494 , utg. 1 . — S. 531–536 . — ISSN 0378-5173 . - doi : 10.1016/j.ijpharm.2015.08.071 .

Se även

Litteratur