微纳光学与SPR技术

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1、SC王启蒙摘要： 表面等离子体共振（Surface plasmon resonance, SPR）, 又称表面等离子体子共振，表面等离激元共振，是一种物理光学现象， 有关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生物学研究的重要工 具。1 SPR简介SPR是一种物理光学现象。当一束平面单色偏振光在一定的角度范 围内照射到镀在玻璃表面的金属银或金的薄膜上发生全反射时，当入 射光的波向量与金属膜内表面电子（称为等离子体）的振荡频率相匹 配时，光线既被耦和进入金属膜，引起电子发生共振，即表面等离子 体共振。在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成所谓费米电子气。价电 子可在晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶

2、格位置上，但总的电子 密度和离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性的。人们把这种 情况形象地称为“金属离子浸没于电子的海洋中”。这种情况和气体 放电中的等离子体相似，因此可以把金属看作是一种电荷密度很高的 低温（室温）等离子体，而气体放电中的等离子体是一种高温等离子 体，电荷密度比金属中的低。此时光线提供的能量导致金属膜表面电 子发生共振，电子吸收该能量使被反射光的强度达到最小，这种最小 化发生时的入射光角度称为SPR角。SPR角是随金属表面的折射率的变 化而变化，这一变化又和金属表面结合的生物分子的质量成正比。1五十年代，为了解快速电子穿过金属箔时的能量损失，人们进行了大量的实验和理论工作

3、。Pine和Bohm认为，其中能量损失的部分原 因是激发了金属箔中电子的等离子体振动(Plasma oscillation)， 又称为等离子体子(plasmon)。Ritchie从理论上探讨了无限大纯净 金属箔中由于等离子体振动而导致的电子能量损失，同时也考虑了有 限大金属箔的情况，指出：不仅等离子体内部存在角频率为3p的等 离子体振动，而且在等离子体和真空的界面，还存在表面等离子体振 动(Surface plasma oscillation)。Powell 和 Swan 用高能电子发 射法测定了金属铝的特征电子能量损失，其实验结果可用Ritchie的 理论来解释。2Stern和Ferrell

4、将表面等离子体振动的量子称为表 面等离子体子(Surface plasmon)，研究了金属表面有覆盖物时的表 面等离子体振动，发现金属表面很薄的氧化物层也会引起这种振动的 明显改变。他们还预言：由于表面等离子体振动对表面涂层的敏感， 那么通过选择合适的涂层，表面特征能量损失的值会在一定范围内发 生变化。除电子以外，用电磁波，如光波，也能激发表面等离子体振动。二 十世纪初，Wood首次描述了衍射光栅的反常衍射现象，这实际上就 是由于光波激发了表面等离子体振动所致。六十年代晚期，Kretschmann和Otto采用棱镜耦合的全内反射方法，实现了用光波 激发表面等离子体振动，为SPR技术的应用起了巨

5、大的推动作用。他 们的实验方法简单而巧妙，仍然是目前SPR装置上应用最为广泛的技 术。2 SPR传感器表面等离子体子共振的产生与入射光的角度。、波长、金属薄膜 的介电常数s及电介质的折射率ns有关，发生共振时。和 分别 称为共振角度和共振波长。对于同一种金属薄膜，如果固定。，则 与ns有关；固定，则。与ns有关。4 如果将电介质换成待测样品，测出共振时的。或，就可以得到样 品的介电常数s或折射率ns；如果样品的化学或生物性质发生变 化，引起ns的改变，则。或也会发生变化，这样，检测这一变化 就可获得样品性质的变化。固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的SPR 光谱；同样地，固定

6、入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率 变化的SPR光谱。SPR光谱的改变反映了体系性质的变化。SPR传感器的主要性能特点，如灵敏度、稳定性、分辨率、选择性 和响应时间等，取决于其各个组成部分的性能。5 SPR传感器使用时，一般是先在金属薄膜表面修饰一层敏感物质， 以便与样品中的待测组分选择性地作用。这一相互作用会引起敏感层 折射率的改变，导致SPR信号的变化，从而获得待测样品的化学或生 物信息。如果不对金属薄膜进行修饰，这样的传感器也可用于一些简 单体系的检测，如一些浓度随折射率变化的溶液（乙醇、蔗糖、葡萄 糖等的水溶液）。金和银相对来说比较稳定，且反射率高，是比较常 用的两种金属。在生

7、物体系的测量中，常常有氯离子存在，用银膜 不太合适，一般都用金膜。3 SPR应用如今，SPR技术已被广泛地用来分析生物分子如蛋白质蛋白质、药 物.蛋白质、蛋白质.核酸、核酸.核酸之间的相互作用，所涉及的研 究领域包括免疫识别、信号传导、药物筛选、抗体定性以及蛋白质构 象变化等。SPR技术用于分子生物学方面的研究如复制、转录、基因药物的研 究、核酸杂交等，其优越性更是常规分析技术所无法比拟的。参考文献：1 表面等离子体共振技术在分子生物学中的应用。杨帆，杨秀容。2 表面等离子体共振技术的一些新应用。张天浩，尹美荣。3 Yoshiaki Tokunaga， Hirofumi W atanabe， Aliyuki Minamide etal. Jpn. J. Appl. Phys. Part 1， 1997， 36： 31624 Shoji Maruo, Osamu Nakamura，Satoshi Kawata et a1. App1. Opt.， 1997， 36： 23435 唐永新，杨华，郭继华等.光学学报，2001，21： 866Tang YX， Yang H， Guo J H et a1. Acta Optica Sinica， 2001， 21： 866(in Chinese)