Войти
Поверхностный плазмонный резонанс (ППР). Поверхностный плазмонный резонанс ( SPR) - это резонансные колебания электронов проводимости на границе раздела между материалом с отрицательной и положительной диэлектрической проницаемостью, вызванные падающим светом. SPR является основой многих стандартных инструментов для измерения адсорбции материала на плоских металлических (обычно золотых или серебряных) поверхностях или на поверхности металлических наночастиц. Это фундаментальный принцип, лежащий в основе многих приложений цветных биосенсоров, различных сенсоров « лаборатория на чипе» и фотосинтеза диатомовых водорослей.
Поверхностного плазмонного поляритонная является безызлучательной электромагнитной поверхностной волны, которая распространяется в направлении, параллельном / диэлектрического материала интерфейса отрицательной диэлектрической проницаемости. Поскольку волна находится на границе проводника и внешней среды (например, воздуха, воды или вакуума), эти колебания очень чувствительны к любому изменению этой границы, например к адсорбции молекул на проводящей поверхности.
Для описания существования и свойств поверхностных плазмон-поляритонов можно выбирать из различных моделей (квантовая теория, модель Друде и т. Д.). Самый простой способ подойти к проблеме - рассматривать каждый материал как однородный континуум, описываемый частотно-зависимой относительной диэлектрической проницаемостью между внешней средой и поверхностью. Эта величина, далее именуемая « диэлектрической функцией » материалов, является комплексной диэлектрической проницаемостью. Для существования членов, описывающих электронный поверхностный плазмон, действительная часть диэлектрической проницаемости проводника должна быть отрицательной, а ее величина должна быть больше, чем у диэлектрика. Это условие выполняется в инфракрасном и видимом диапазоне длин волн для границ раздела воздух / металл и вода / металл (где реальная диэлектрическая проницаемость металла отрицательна, а диэлектрическая проницаемость воздуха или воды положительна).
LSPR ( локализованные поверхностные плазмонные резонансы) представляют собой коллективные колебания заряда электронов в металлических наночастицах, которые возбуждаются светом. Они демонстрируют повышенную амплитуду ближнего поля на резонансной длине волны. Это поле сильно локализовано на наночастице и быстро затухает вдали от границы раздела наночастица / диэлектрик на диэлектрический фон, хотя рассеяние частицей в дальней зоне также усиливается за счет резонанса. Повышение интенсивности света является очень важным аспектом LSPR, и локализация означает, что LSPR имеет очень высокое пространственное разрешение (субволновой), ограниченное только размером наночастиц. Из-за увеличенной амплитуды поля эффекты, которые зависят от амплитуды, такие как магнитооптический эффект, также усиливаются LSPR.
Конфигурация Отто 
Конфигурация Кречмана Для резонансного возбуждения поверхностных плазмонных поляритонов можно использовать бомбардировку электронами или падающий световой луч (обычно видимый и инфракрасный). Входящий луч должен согласовывать свой импульс с импульсом плазмона. В случае p-поляризованного света (поляризация происходит параллельно плоскости падения) это возможно, пропуская свет через стеклянный блок для увеличения волнового числа (и импульса ) и достижения резонанса на заданной длине волны и угол. S-поляризованный свет (поляризация происходит перпендикулярно плоскости падения) не может возбуждать электронные поверхностные плазмоны. Электронные и магнитные поверхностные плазмоны подчиняются следующему закону дисперсии :
где k () - волновой вектор, - относительная диэлектрическая проницаемость, - относительная проницаемость материала (1: стеклянный блок, 2: металлическая пленка), а - угловая частота и скорость света в вакууме.
Типичными металлами, поддерживающими поверхностные плазмоны, являются серебро и золото, но также использовались такие металлы, как медь, титан или хром.
При использовании света для возбуждения SP-волн существуют две хорошо известные конфигурации. В конфигурации Отто свет освещает стену стеклянного блока, обычно призму, и полностью отражается внутрь. Тонкая металлическая пленка (например, золото) расположена достаточно близко к стенке призмы, так что затухающая волна может взаимодействовать с плазменными волнами на поверхности и, следовательно, возбуждать плазмоны.
В конфигурации Кречмана (также известной как конфигурация Кречмана – Ретера) металлическая пленка напыляется на стеклянный блок. Свет снова освещает стеклянный блок, и исчезающая волна проникает сквозь металлическую пленку. Плазмоны возбуждаются на внешней стороне пленки. Эта конфигурация используется в большинстве практических приложений.
Когда поверхностная плазмонная волна взаимодействует с локальной частицей или неоднородностью, например шероховатой поверхностью, часть энергии может переизлучаться в виде света. Этот излучаемый свет можно обнаружить за металлической пленкой с разных сторон.
Схема датчика, использующего поверхностный плазмонный резонанс Поверхностные плазмоны использовались для повышения поверхностной чувствительности нескольких спектроскопических измерений, включая флуоресценцию, комбинационное рассеяние света и генерацию второй гармоники. Однако в своей простейшей форме измерения отражательной способности ППР можно использовать для обнаружения молекулярной адсорбции, такой как полимеры, ДНК или белки и т. Д. Технически обычно измеряют угол минимального отражения (угол максимального поглощения). Этот угол изменяется примерно на 0,1 ° при адсорбции тонкой (толщиной около нм) пленки. (См. Также Примеры.) В других случаях отслеживают изменения длины волны поглощения. Механизм обнаружения основан на том, что адсорбирующие молекулы вызывают изменение локального показателя преломления, изменяя условия резонанса поверхностных плазмонных волн. Тот же принцип используется в недавно разработанной конкурентной платформе, основанной на диэлектрических многослойных без потерь ( DBR ), поддерживающих поверхностные электромагнитные волны с более острыми резонансами ( поверхностные волны Блоха ).
Если на поверхности нанесен рисунок из различных биополимеров с использованием соответствующей оптики и датчиков изображения (например, камеры), метод может быть расширен до изображения поверхностного плазмонного резонанса (SPRI). Этот метод обеспечивает высокий контраст изображений, основанный на количестве адсорбированных молекул, что отчасти похоже на микроскопию под углом Брюстера (последняя чаще всего используется вместе с желобом Ленгмюра – Блоджетт ).
Для наночастиц локализованные поверхностные плазмонные колебания могут вызывать интенсивные цвета суспензий или золей, содержащих наночастицы. Наночастицы или нанопроволоки благородных металлов демонстрируют сильные полосы поглощения в ультрафиолетовой области - видимого света режима, которые не присутствуют в объеме металла. Это необычайное увеличение поглощения было использовано для увеличения поглощения света в фотоэлектрических элементах путем осаждения металлических наночастиц на поверхности элемента. Энергия (цвет) этого поглощения различается, когда свет поляризуется вдоль или перпендикулярно нанопроволоке. Сдвиги в этом резонансе из-за изменений локального показателя преломления при адсорбции на наночастицы также можно использовать для обнаружения биополимеров, таких как ДНК или белки. Связанные дополнительные методы включают плазмонный волноводный резонанс, QCM, экстраординарное оптическое пропускание и интерферометрию с двойной поляризацией.
Первый иммуноферментный анализ на SPR был предложен в 1983 году Лидбергом, Ниландером и Лундстремом, работавшими в то время в Технологическом институте Линчёпинга (Швеция). 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. Кроме того, измерения SPR можно отслеживать в режиме реального времени, что позволяет отслеживать отдельные этапы последовательных событий связывания, что особенно полезно при оценке, например, сэндвич-комплексов.
Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс, особая конфигурация ППР, 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 липидов и разрыва, нанесенного методом CVD одинарного монослоя графена (3,7 Å), а также полимеров микрометровой толщины.
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.
Кривые ППР, измеренные во время адсорбции полиэлектролита, а затем самособирающейся пленки глинистого минерала на тонком (примерно 38 нанометров) датчике золота. Одним из первых распространенных применений спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса было измерение толщины (и показателя преломления) адсорбированных самособирающихся нанопленок на золотых подложках. Резонансные кривые смещаются в сторону больших углов по мере увеличения толщины адсорбированной пленки. Этот пример представляет собой измерение «статического SPR».
Если требуется более высокая скорость наблюдения, можно выбрать угол прямо под точкой резонанса (угол минимальной отражательной способности) и измерить изменения отражательной способности в этой точке. Это так называемое «динамическое измерение SPR». Интерпретация данных предполагает, что структура пленки существенно не изменяется во время измерения.
Сигнал ассоциации и диссоциации 
Пример вывода из Biacore Когда необходимо определить сродство двух лигандов, необходимо определить константу равновесной диссоциации. Это равновесное значение отношения продукта. Это значение также можно найти с помощью параметров динамического ППР, и, как и в любой химической реакции, это скорость диссоциации, деленная на скорость ассоциации.
Для этого на декстрановой поверхности кристалла SPR иммобилизуют приманку-лиганд. Через систему микропотока раствор с аналитом жертвы вводится поверх слоя приманки. Когда аналит-жертва связывает лиганд-приманку, наблюдается увеличение сигнала SPR (выраженного в единицах ответа, RU). По истечении желаемого времени ассоциации раствор без аналита-жертвы (обычно буфер) вводится в микрофлюид, который диссоциирует связанный комплекс между лигандом-приманкой и аналитом-жертвой. Теперь, когда аналит-жертва диссоциирует от лиганда-приманки, наблюдается уменьшение сигнала SPR (выраженного в резонансных единицах, RU). Исходя из этих ассоциаций («скорость», k a) и скоростей диссоциации («off rate», k d), можно рассчитать константу равновесной диссоциации («константу связывания», K D).
Фактический сигнал SPR можно объяснить электромагнитной «связью» падающего света с поверхностным плазмоном слоя золота. На этот плазмон может влиять слой всего в нескольких нанометрах на границе раздела золото-раствор, то есть белок-приманка и, возможно, белок жертвы. Привязка изменяет угол отражения;
Поскольку биосенсоры SPR облегчают измерения при различных температурах, термодинамический анализ может быть выполнен для лучшего понимания изучаемого взаимодействия. Выполняя измерения при различных температурах, обычно от 4 до 40 ° C, можно связать константы скорости ассоциации и диссоциации с энергией активации и, таким образом, получить термодинамические параметры, включая энтальпию связывания, энтропию связывания, свободную энергию Гиббса и теплоемкость.
Поскольку SPR позволяет осуществлять мониторинг в реальном времени, отдельные этапы последовательных событий связывания могут быть тщательно оценены при исследовании совместимости антител в конфигурации «сэндвич». Кроме того, это позволяет картировать эпитопы, поскольку антитела перекрывающихся эпитопов будут ассоциироваться с ослабленным сигналом по сравнению с сигналами, способными взаимодействовать одновременно.
В последнее время появился интерес к магнитным поверхностным плазмонам. Для этого требуются материалы с большой отрицательной магнитной проницаемостью, свойство, которое только недавно стало доступным при создании метаматериалов.
