表面等离激元共振

金纳米球壳对的局域表面等离激元共振特性研究摘要：运用有限元方法来分析金纳米球壳对的几何结构参数与物理参量对表面等离激无共振的散射与消光光谱所产生的影响作用，并通过参照等离激元的杂化理论展开更进一步的理论分析。

最终的效果显示，在金壳厚度增大时，金纳米球壳对的散射与消光共振峰会在产生蓝移之后，继而红移，并在金纳米球壳的间隙变小时，或是伴着金纳米球壳内核尺寸与介质折射率的变大，散射与消光共振峰都会产生红移；随后伴着金壳厚度减小，或是内核尺寸变小时，抑或是内核介质的的射率变大，金纳米球壳对的散射和消光共振的强度逐渐变弱，而在金壳间隙变小之后，金纳米球壳对的散射共振强度先是不断增强之后再变弱，消光共振的强度慢慢加强，其数值试验和理论研究结果是相同的。

关键词：金纳米球壳对；局域表面等离激元共振；有限元通过相关研究可知，在入射光的照射下，金属纳米颗粒的表面将会有感应电荷产生，这是受到光场驱动使感应电荷引发产生的回复力而导致的自由电子整体振荡所产生的局域表面等离激元共振，在颗粒的四周，电磁场呈现出了近场增强的现象，而且还形成了剧烈的光学散射与吸收共振的情况。

通过金纳米的各种形状进行分析可知，光学散射与光学吸收的共振峰峰位是随着纳米颗粒形状与大小、以及介质环境的发生转变而变化的。

由此可知，贵金属纳米颗粒有着等离激元共振的特殊性质，因在光学、生物学、以及医学诊断等多项领域中被普遍应用，得到了广泛关注。

1、模型与理论近几年来，有关于金纳米球壳的相关研究应用取得了一定进步与发展。

经过一系列的实验研究，相关人士凭借着等离激元杂化理论的支持，为金纳米球壳的复合结构研究提供了理论图形。

金纳米球壳对的局域表面等离激元共振特性研究由此展开，它是由两个一模一样的金纳米球壳所构成的系统，分别是金纳米球壳内核半径（r1)与外壳半径(r2)，金壳的厚度是用字母s表示的，并且s=r2-r1,金纳米球壳对的间距用d表示，n是内核介质折射率。

（完整word版）表⾯等离激元表⾯等离⼦体共振波长1.共振波长的基本求解思路表⾯等离激元(SP)是指在⾦属和电介质界⾯处电磁波与⾦属中的⾃由电⼦藕合产⽣的振动效应。

它以振动电磁波的形式沿⾦属和电介质的界⾯传播，并且在垂直离开界⾯的⽅向，其振幅呈现指数衰减。

表⾯等离激元的频率与波⽮可以通过⾊散关系联系起来。

其垂⾄于⾦属和电解介质界⾯⽅向电磁场可表达为:式中表⽰离开界⾯的垂直距离，当时取+，时取⼀。

式中为虚数，引起电场的指数衰减。

波⽮平⾏于⽅向，，其中为表⾯等离⼦体的共振波长。

由表达式可见，当时，电磁场完全消失，并在时为最⼤值。

函数，以及电介质的介电常数来求解表⾯等离激元的的⾊散关系，由公式: ，可得到等离激元⾊散关系式为: ，如果假设和都为实数，且，则可获得⼀个较为复杂的⾊散关系式其中， (从实部可以计算SPPs 的波长'2/x SPP K λπ=，SPPs 的传播距离SPP δ主要决定于虚部''2SPP SPPs k δ=2. ⾦属表⾯等离体⼦频率的求解当波⽮较⼤或者时，的值趋向于21P SP ωωε=+ 对于⾃由电⼦⽓，，是⾦属体电⼦密度，是电⼦有效质量，是电⼦电荷。

因此，随增⼤⽽减⼩。

(1)具有理想平⾯的半⽆限⾦属全空间内电势分布满⾜拉普拉斯⽅程：由于在⽅向上介质和⾦属都是均匀的，所以可令解的形式为得拉普拉斯⽅程的解由以及边界条件：可以得到介质与⾦属相对电容率之间的关系：,假设介质的相对电容率为与频率⽆关的常数，由⾦属相对电容率的表⽰式可知因此⾦属表⾯等离体⼦频率为当介质为真空时，得到⾦属表⾯等离体⼦频率为(2)⾦属中存在着⼤量的价电⼦，它们可以在⾦属中⾃由地运动．由于价电⼦的⾃由移动性及电⼦间存在着库仑相互作⽤，所以在⾦属内部微观尺度上必然存在着电⼦密度的起伏．由于库仑作⽤的长程性，导致电⼦系统既存在集体激发(即等离体⼦振荡)，也存在个别激发(即准电⼦)．⽽在⼩波⽮近似下只存在集体激发，故可以将电⼦密度的傅⾥叶分量作为集体坐标来描述这种关联，在k ⼀0的极限下，有式中为单位体积内的电⼦数．由此⽅程可以得到⾦属内等离体⼦振荡频率从以上讨论及推导可以看出，⾦属等离体⼦振荡实际上是在库仑作⽤参与下的⾼粒⼦数密度系统中电⼦的集体运动，等离体⼦就是电⼦集体振荡的能量量⼦．由于库仑势场是纵场，因此等离体⼦是纵振动的量⼦．以上所讨论的情况没有考虑到⾦属边界的影响，即认为⾦属是⽆限⼤的，计算得到的频率为块状⾦属中的体相等离体⼦频率．3.⾦属介电常数的求解(1)另外，根据Drude ⾃由电⼦⽓模型，理想⾦属的介电⽅程可写为: 22()1p i ωεωωτω=-- ,p ω是等离⼦体振荡频率,,τ是散射速率描述电⼦运动遭遇散射⽽引起的损耗， 161311.210/, 1.4510p rad s s ωτ-=?=?对于银,。

金属纳米颗粒的表面等离激元共振近年来，金属纳米颗粒在纳米科技领域中扮演着重要的角色。

其独特的形貌和结构使得金属纳米颗粒在光学、电子学等领域有广泛的应用。

而金属纳米颗粒的表面等离激元共振效应正是其中一个引人关注的现象。

表面等离激元共振是一种与金属纳米颗粒特有结构相联系的现象。

当光线照射在金属纳米颗粒上时，电子能级受到激发并与光子产生相互作用。

这种相互作用会导致新的电子-光子耦合态的形成，同时也导致了金属纳米颗粒上电荷密度分布的变化。

这一过程中，金属纳米颗粒表面的自由电子与光子能量相互耦合，形成所谓的表面等离激元。

那么，具体来说，表面等离激元共振又意味着什么呢？首先，金属纳米颗粒在表面等离激元共振发生时，其吸收和散射光谱将发生显著变化。

这些变化可以通过光谱分析等实验手段进行研究。

通过对吸收和散射光谱曲线的分析，我们可以获得金属纳米颗粒的表面等离激元共振频率以及它与外界环境的相互作用。

这对于理解纳米颗粒在光学传感、表面增强拉曼光谱等应用中的行为机制至关重要。

其次，表面等离激元共振还导致了局部电场的增强效应。

当光子与金属纳米颗粒相互作用时，局部电场在颗粒附近被局部增强。

这种局部电场增强效应使得金属纳米颗粒成为一种优越的局域增强电场平台。

基于这一效应，我们可以利用金属纳米颗粒来实现更高灵敏度的荧光探针、表面拉曼散射信号放大、二次谐波产生等应用。

此外，表面等离激元共振也可用于光热治疗、太阳能电池和激光光谱等领域，发挥着重要作用。

最近的研究还发现，金属纳米颗粒的尺寸、形状和组成对其表面等离激元共振行为有重要影响。

通过调节金属纳米颗粒的这些参数，可以控制其表面等离激元共振频率的位置和强度。

因此，精确控制金属纳米颗粒的表面等离激元共振行为对于实现特定应用具有重要意义。

许多研究正在探索新的合成方法和加工技术，以实现对金属纳米颗粒的形貌、尺寸和组成的精确控制。

总结起来，金属纳米颗粒的表面等离激元共振是一种引人关注的现象，具有广泛的应用潜力。

纳米光学原理纳米光学原理纳米光学是一门近年来兴起的交叉学科领域，它研究的是光与纳米结构的相互作用。

在这一领域中，人们通过利用纳米结构的局部原子级别特殊结构，实现对光场进行高度精细调控，对于光学精密制备、高灵敏度传感等领域具有重要的研究意义和实际应用价值。

纳米光学原理首先要涉及的概念是SPR现象。

SPR即表面等离激元共振，它是一种在准二维层状结构的金属表面上发生的特殊的光与物质相互作用现象。

在这种现象中，当一束激光照射在金属薄膜表面时，会在金属表面上激发出一种其它场，也就是表面等离激元，这种新的场与原有的光场发生相互作用，最终形成一种共振的现象。

这种共振现象可以被广泛应用于生物分子的检测、汞离子的检测等领域。

除SPR现象外，在纳米光学中还涉及到诸如局域表面等离激元、光热效应和光致等离子体等核心概念及其相关原理。

通过这些纳米材料和光场之间的相互作用，可以实现对光场特殊性质的精细调控。

例如，在纳米光学中可以实现光场的局部增强、实现光场的对称性调节等。

纳米光学的发展对于生物医学、信息技术、新能源领域等的发展具有重要的推动作用。

具体来讲，在生物医学领域，人们可以利用纳米光学技术精细调控光场的空间结构，实现对生物分子的高灵敏检测。

在信息技术领域，纳米光学也可以为信息存储、快速通信等领域提供新的技术手段和理论支持。

在新能源领域，人们可以基于纳米光学技术，实现太阳能电池和热电材料等的高效制备。

综上所述，纳米光学是一门涉及光学和纳米材料科学的交叉领域，它通过对光场与纳米结构的相互作用机理的深入研究，实现了对光场高精度的调控和利用。

在当前科学技术快速发展的大背景下，纳米光学技术的应用前景也越来越广阔。

纳米金粒子标记技术在快速蛋白质检测中的应用近年来，纳米技术的快速发展为生物医学领域带来了许多新的应用和突破。

其中，纳米金粒子标记技术在快速蛋白质检测中的应用备受关注。

该技术的出现不仅提高了蛋白质检测的准确性和灵敏度，而且具有较快的检测速度和较低的成本。

本文将详细介绍纳米金粒子标记技术在快速蛋白质检测中的原理、应用以及未来的发展前景。

一、纳米金粒子标记技术的原理纳米金粒子是一种具有特殊性质的金属粒子，其尺寸通常在1-100纳米之间。

纳米金粒子标记技术是将这些纳米金粒子与蛋白质分子特异性结合，通过检测纳米金粒子的光学性质实现蛋白质的快速检测。

其原理主要包括两个方面：1. 表面等离激元共振效应：纳米金粒子表面存在自由电子，当受到外界电磁波激发时，这些自由电子会共振震荡，并在金粒子表面产生强烈的电场增强效应，这种现象被称为表面等离激元共振效应。

蛋白质分子的结合会改变纳米金粒子的表面等离激元共振效应，从而改变其光学性质，可通过特定的测量方法实现蛋白质的检测。

2. 富集效应：纳米金粒子具有较大的比表面积和高度多价的性质，使其能够实现蛋白质的高效富集。

当纳米金粒子与蛋白质结合时，纳米金粒子的表面积大幅增加，从而提高了蛋白质的富集效率。

富集后的蛋白质可以通过相关的测量方法进行快速检测。

二、纳米金粒子标记技术在快速蛋白质检测中的应用1. 微量蛋白质测定：传统蛋白质的测定方法需要大量的蛋白质样品，且操作繁琐、耗时长。

而纳米金粒子标记技术可以实现蛋白质的微量测定，只需极少的蛋白质样品即可获得准确的检测结果。

这使得纳米金粒子标记技术在快速蛋白质检测中具有重要的应用价值。

2. 蛋白质相互作用研究：蛋白质相互作用对于生物系统的正常功能至关重要。

纳米金粒子标记技术可以通过标记不同的蛋白质，通过观察其相互作用情况，揭示蛋白质在生物系统中的功能和调控机制。

这对于深入理解生物学过程具有重要的意义。

3. 生物传感器的制备：纳米金粒子标记技术可以将纳米金粒子制备成高灵敏度的生物传感器，用于检测生物样品中特定蛋白质的含量。

表面等离激元共振原理
表面等离激元共振是一种在表面等离激元中发生共振现象的物理现象。

表面等离激元是一种在金属和介质界面上产生的电磁波模式，它是金属中的自由电子与光子之间的耦合模式。

表面等离激元共振原理可以通过以下步骤进行解释：
1. 当电磁波入射到金属-介质界面时，部分能量会被金属吸收，而另一部分能量会被反射。

2. 当入射角度和波长满足一定的条件时，进入金属表面的光子能够与自由电子耦合形成表面等离激元。

这些电子和光子之间的耦合形成了新的电磁波模式，即表面等离激元。

3. 表面等离激元的形成导致了共振现象，即当入射角度和波长符合表面等离激元的共振条件时，能量将得到最大的能量传递。

4. 共振产生的电磁波能够在金属表面上传播，形成波浪或驻波模式，具有较高的局部电场强度。

表面等离激元共振具有很多重要的应用，包括传感器、光学器件、太阳能电池等领域。

通过调控和利用表面等离激元共振现象，可以实现更高效的能量传输、灵敏的传感器探测以及更高分辨率的成像等。

表面等离激元共振技术在化学分析中的应用表面等离激元共振技术是一种近年来在化学分析领域备受关注的新兴技术。

它利用纳米结构和光学等离激元的相互作用，可以实现对化学分子的高灵敏度检测和谱学分析。

本文将从表面等离激元的基本原理、应用于化学分析的优势以及具体的应用案例三个方面阐述表面等离激元共振技术在化学分析中的应用。

表面等离激元是一种集体震荡模式，当光波与金属或其他材料的界面相互作用时产生。

这种相互作用可以增强电磁波的局域化，使光场与介质之间的相互作用增强。

这种增强效应在化学分析中可以用于增强光信号的散射、吸收和发射等过程，从而提高检测的灵敏度。

同时，由于表面等离激元的共振特性，可以选择特定的波长进行激发和检测，增加分析的选择性。

在化学分析中，表面等离激元共振技术具有多种优势。

首先，由于等离激元仅在与金属表面极为接近的几纳米范围内存在，因此可以实现对样品的高灵敏度检测。

其次，由于等离激元受光波波长的影响，可以用于实现对不同分子的选择性检测。

再次，等离激元共振技术可以与其他光学和电化学技术相结合，形成多功能的分析平台。

最后，等离激元共振技术还可以实现对材料的纳米结构和纳米粒子的表征，对材料科学和纳米技术的研究具有重要意义。

在化学分析中，表面等离激元共振技术已经得到了广泛的应用。

其中一个重要的应用领域是生物分析。

由于等离激元技术对分子的特异性敏感，可以实现对生物分子的高灵敏度和选择性检测。

例如，可以通过等离激元共振技术实现对生物分子的定量检测，如蛋白质、核酸和糖类等。

此外，等离激元共振技术还可以用于生物传感器的设计和构建，实现对细胞、细菌和病毒等微生物的检测。

另一个重要的应用领域是环境分析。

表面等离激元共振技术可以实现对环境中的微量有机物和无机物的检测。

例如，可以通过等离激元技术对水中的水污染物、土壤中的土壤污染物以及大气中的挥发性有机物进行监测和分析。

这些分析数据可以为环境保护和环境治理提供重要依据。

此外，表面等离激元共振技术还被应用于材料科学和纳米技术的研究。

金属纳米结构表面等离激元共振现象及其应用前景随着纳米科技的迅猛发展，金属纳米结构表面等离激元共振现象引起了广泛的关注和研究。

等离激元共振是一种特殊的电磁现象，当光波与金属纳米结构表面相互作用时，激发了金属电子与光子之间的相互作用，产生了共振现象。

这一现象不仅在光学、电子学等领域具有深远的影响，还在传感器、光子学和光电子学等领域有着广泛的应用前景。

首先，金属纳米结构表面等离激元共振现象在光学领域具有重要意义。

由于等离激元共振现象的存在，金属纳米结构表面能够实现超聚焦效应，将光波聚焦到远远小于光波波长的尺度，从而实现了超分辨率成像。

这对于光学仪器和设备的性能提升具有重要作用，可以突破传统光学的分辨率限制，为生物学、医学等领域的研究提供了全新的思路和方法。

此外，等离激元共振现象还可以用于光学传感器的设计和制备，用以检测微小分子、生物体或环境污染物，具有高灵敏度和高选择性，可以为环境监测和医学诊断等领域提供准确可靠的检测手段。

其次，金属纳米结构表面等离激元共振现象在电子学领域也具有重要的应用。

金属纳米结构可以通过调控其形状和尺寸来实现等离激元共振的调控，从而实现对电子传输的控制。

这可以用于提高电子器件的性能，例如光电器件、传感器和晶体管等。

此外，等离激元共振现象还可以用于开发新型的光电子器件，如等离激元太阳电池、等离激元激光器等。

这些新型器件具有高效转换、高灵敏度等优点，能够为能源和通信领域带来全新的技术突破。

另外，金属纳米结构表面等离激元共振现象在材料科学领域也具有广阔的应用前景。

等离激元共振可以通过调控金属纳米结构表面的形状、尺寸和组合方式，来实现对光学、电学和磁学性质的调控。

这为设计和制备新型功能材料提供了全新的思路和方法。

例如，可以利用等离激元共振现象来调控纳米颗粒的荧光性能、磁性性能或者催化性能，从而打开了新型材料的设计和应用领域。

总之，金属纳米结构表面等离激元共振现象作为一种重要的电磁现象，在光学、电子学和材料科学等领域具有广泛的应用前景。

表面等离激元光谱增强表面等离激元（Surface Plasmon Resonance，SPR）光谱增强是一种在表面等离激元共振技术基础上进一步提高灵敏度和检测性能的方法。

表面等离激元是一种在金属表面上产生的电磁波，与介质中的光波耦合，形成共振现象。

这一现象在传感、生物医学和化学分析等领域得到了广泛的应用。

以下是关于表面等离激元光谱增强的一些主要内容：1. 表面等离激元原理表面等离激元是一种发生在金属表面上的电磁波，其产生的机制涉及到金属电子和电磁波之间的耦合。

当金属表面上存在电子的集体振荡时，这些电子将与入射的光波发生耦合，形成表面等离激元。

SPR的共振条件取决于金属、介质和入射光的性质，因此可以通过调整这些条件来实现对SPR的控制。

2. 表面等离激元光谱SPR技术通过监测光在金属表面上的反射来获取信息。

在共振条件下，入射光的反射将发生突变，这种变化与与金属表面相互作用的生物分子或化学物质的特性有关。

因此，通过检测SPR光谱的变化，可以实现对生物分子的检测和分析。

3. 光谱增强技术为了提高SPR技术的灵敏度和检测性能，研究人员开发了一系列光谱增强技术。

其中的一些关键方法包括：纳米结构设计：通过在金属表面引入纳米结构，如纳米颗粒或纳米孔洞，可以增加SPR效应，提高检测灵敏度。

纳米颗粒增强：利用金属纳米颗粒的局域电磁场增强效应，可以在SPR信号中引入显著的增强。

表面增强拉曼散射（SERS）：结合SPR和SERS，可以实现对表面吸附物质的高灵敏检测，特别是对于小分子的检测。

二维材料：使用二维材料，如石墨烯，作为表面支持材料，可以在SPR效应中引入新的调控机制，提高灵敏度。

4. 应用领域表面等离激元光谱增强技术在生物医学、化学分析和环境监测等领域有广泛的应用。

例如，在生物传感器中，通过将生物分子固定在SPR传感器表面，可以实现对生物分子的高灵敏检测，包括蛋白质、DNA和细胞等。

5. 挑战和前景尽管表面等离激元光谱增强技术在许多方面取得了显著进展，但仍然存在一些挑战，如实验复杂性、制备成本和稳定性等。

dna和蛋白质相互作用的技术DNA和蛋白质是生命活动中最基本的成分之一，它们的相互作用对于生物学领域的研究至关重要。

现代科技为我们提供了很多关于DNA 和蛋白质相互作用的技术，本文将依次介绍它们。

第一种技术是核磁共振 (NMR)。

这种技术利用核磁共振现象来获取DNA和蛋白质结构的信息。

通常使用同位素标记来标记DNA或蛋白质样品，并利用NMR仪器测量样品的核磁共振谱。

这种技术能够提供关于DNA和蛋白质相互作用的信息，包括它们的结合口袋和结合方式。

第二种技术是X射线晶体学。

这种技术利用X射线穿过晶体的方式来获取DNA或蛋白质的结构信息。

在这个过程中，样品被制成晶体，然后被置于X射线束中，接着被X射线照射。

由于晶体中的分子排列是有序的，所以X射线通过晶体后，它们会被散射成不同的方向，进而被测量。

由此获取的数据可以用于重建分子的三维结构，进而研究分子间的相互作用信息。

第三种技术是表面等离激元共振 (SPR)。

这种技术利用表面等离激元共振的现象来检测DNA和蛋白质相互作用。

在这个过程中，一种称作生物传感器的设备被置于金属化膜基片上，然后将DNA或蛋白质样品注入生物传感器中。

传感器的表面有许多微米尺度的金属坑，这些坑可以产生等离激元共振，当有DNA或蛋白质与传感器表面接触时，等离激元共振的波长会发生变化，进而可以推断分子间的相互作用信息。

第四种技术是电泳迁移位移 (EMSA)。

这种技术利用DNA和蛋白质间的电泳迁移和位移差异来检测DNA和蛋白质的相互作用。

在这个过程中，DNA和蛋白质可以被标记成带电荷的物质，然后被置于电泳凝胶中。

由于蛋白质和DNA的大小和荷电性质不同，它们会在电泳中产生不同的迁移率和位移，进而可以通过凝胶上的比较来检测它们的相互作用。

综上所述，以上介绍的技术都是现代科技中用于检测DNA和蛋白质间相互作用的有效手段。

每种技术都有自己的优势和适用范围，科学家们可以合理地选择合适的技术来开展相关研究。

等离激元共振模式等离激元共振模式（localized surface plasmon resonance，LSPR）是一种常见的表面等离子体共振的现象，其发生在金属纳米结构表面上。

这种现象已经在生物传感器、光学显示、太阳能光伏等领域得到了广泛应用。

本文将详细介绍等离激元共振模式的基本原理、应用和未来研究方向。

1. 原理等离激元共振模式主要是基于光与金属表面的相互作用。

当光照射在金属表面时，由于金属的导电性，光会在金属表面形成一些电子波，这些电子波与金属表面上的原子和分子之间发生相互作用，激发了局部表面等离子体共振（LSP）。

金属纳米颗粒的大小和形状对该共振模式的发生和频率有很大的影响。

通常，LSPR会在可见光和近红外光谱范围内产生吸收或散射现象。

其峰值位置会受到金属纳米颗粒大小、形状和成分的影响。

在纳米颗粒的表面修饰上，可使用分子自组装技术或顶基修饰法来增强等离激元共振模式的敏感性和选择性。

顶基修饰是一种在金属纳米颗粒表面修饰反应基团的方法，既保留了LSPR信号，又能够特异性地捕获分子，适用于生物传感器和表面增强拉曼光谱(SERS)等领域的应用。

2. 应用生物传感器：等离子体共振技术已成为诊断和治疗生物学、医学、环境和食品等领域的种子技术。

在生物传感器中，等离激元共振模式是一种快速、灵敏和专一的检测方法，仅需少量样品即可进行定量检测，如蛋白质、DNA序列、抗体和病毒分子等。

光学显示：LSPR在光学设备中得到广泛应用，在荧光染料的替代方面有着重要的应用价值。

在液晶显示器中，LSPR可以加强显示器的颜色饱和度和对比度。

太阳能光伏：等离激元共振技术也被广泛应用于太阳能电池领域，可以提高太阳电池的电荷分离效率和光吸收率，提高电池的实际功率输出。

3. 未来研究方向（1）尝试使用更先进的制备技术制备金属纳米颗粒，以实现更强的LSPR信号和更广泛的谱范围。

（2）开发新的分子修饰技术，用于生物传感器和化学传感器领域的应用，如利用LSPR技术检测环境中的污染物。

实验名称：表面等离激元共振法测液体折射率实验实验目的：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，以及计算折射率的原理和方法 实验原理：在电磁场的作用下，材料中的自由电子会在金属表面发生集体振荡，产生表面等离激元；共振状态下电磁场的能量被有效转换为金属表面自由电子的集体振动能。

当入射光从折射率为n 1的光密介质照射到折射率为n 2的光疏介质，当入射角θ大于临界角θc 时,将发生全反射，在全内反射（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。

对于倏逝波在金属内部的分布是随着与表面垂直距离z 的增大而呈指数衰减，即()(0)exp(-)zI z I d= (1)其中 d =0λ是光在真空中的波长)是倏逝波渗入光疏介质的有效深度(光波的电场衰减至表面强度的1/e 时的深度)。

可见入射的有效深度d 不受入射光偏振化程度的影响，除θ→c θ，d →∞的特殊条件外（c θ为布儒斯特角），d 随着入射角的增加而减小，其大小是0λ的数量级甚至更小。

因为倏逝波的存在，在界面处发生全内反射的光线，实际上在光疏介质中产生大小约为半个波长的位移后又返回光密介质。

表面等离激元共振（SPR ）是倏逝波以衰减全反射的方式激发表面等离激元波（SPW ），当SPW 波矢与倏逝波的波矢大小相等、方向相同时，产生共振，导致入射光的反射光强降至最低。

如果在两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的倏逝波的P 偏振分量（P 波）将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波（SPW ）。

物理学研究进展表面等离子体共振技术及其应用表面等离子波SPW (surface plasmon wave)也译为表面等离子激元或表面电磁波,是沿金属和介质界面传播的表面电磁波.在一定条件下,SPW可与入射光TM(横磁波)极化能量耦合并被共振激发,这种现象称为表面等离子体共振SPR (surface plas2ma resonance).20世纪70年代初, Otto和Kretschmann等人的著名工作引起了SPR技术的研究热潮[1,2].此后SPR技术迅速发展起来,并在多个学科领域得到应用,如生化传感器、物理特性测量仪器、光波导偏振器、表面非线性光学检测、表面膜层特性研究等.本文介绍国内外SPR技术的一些最新应用.1 表面等离子体共振技术简介只有在一定的配置下,空间传播的光才能与SPW发生耦合,图1是三种SPR配置方式.Otto型和Kretschmann型都是利用全内反射形成的隐逝波.Otto型金属和全内反射表面之间有约几十纳米的介质间隙,金属可以是半无限宽的.这种配置的应用较少.Kretschmann型采用真空蒸镀,磁控溅射等方法直接在全内反射表面镀一层几十纳米厚的金属膜,是应用最为广泛的配置形式.在两种隐逝波耦合方式中,入射光必须为p偏振光,因为只有p偏振光有垂直于金属-介质界面的电场分量. 散射光栅型配置方式的数学形式十分复杂,结构相对简单.其耦合器件是表面为金属镀膜的光栅.此外,入射到粗糙金属表面的光也可与S P W发生耦合.设入射光角频率为ω,入射角为θ,介质介电常数为εd,则x方向上的波矢k x 为:根据Maxwell方程,可以推导出SPW波矢ksp:式中εM 为金属介电常数的实部,ε a 为金属表面电介质的介电常数,当k x = ksp 时,就产生共振,共振角为:产生SPR时,SPW可增强几百倍,因此SPR具有显著的表面增强效应.此外,SPR对金属膜表面介质的光学特性、入射角、入射光的波长和偏振状态、金属膜及其表面介质的厚度等因素十分敏感,这些性质使SPR现象能在许多方面得到应用.2 SPR传感器生化传感器已经广泛应用于高灵敏度生化检测[3].1983年, Liedberg等人首次将SPR 技术应用于生化传感器以来,在这一领域国内外每年都有大量论文发表[4].Biacore AB 公司率先开发出首台商品化SPR仪器,现已有数家国外公司出售此类产品,这个产业每年的产值达几十亿美元.这种传感器的原理基于SPR 对金属表面介质折射率变化的敏感特性.图2是商业型的SPR传感器的一般结构.对于棱镜型SPR 传感器,一般选择折射率较高的光学材料作棱镜.棱镜的形状可以是等腰直角三角形或半球形,其中半球形棱镜最为理想,入射光始终与棱镜表面垂直,减少光能的损失.为避免金属膜对棱镜表面的破坏,一般将金属膜镀在玻璃片上作为芯片,通过折射率与棱镜一致的匹配液将芯片固定在棱镜上.金属膜表面固定着一层具有分子识别功能的敏感膜. 早期的SPR传感器将分子直接吸附在金属膜表面形成敏感膜,后来Mor2gan等人发明了一种经典的方法,在金膜表面先覆盖一层生物素(biotin),然后固定一单层抗生物素蛋白链菌素(strep tavidin)[5].该方法可保证传感器表面的均一性和功能上的特异性.此外还有葡聚糖凝胶法、LB膜法和分子印膜法等.微流通池处理系统是一个反应装置,有两个端口以便液体样品的进出.敏感膜与样品在流通池中发生反应,并将待识别的分子吸附在敏感膜上,同时敏感膜介电常数发生变化,由此导致共振角和共振波长的变化.检测时可采用固定入射光波长扫描入射角的方法,此时可观测到待检测分子结合前后共振角的变化;也可采用固定入射角扫描入射光波长的办法,此时光源为复色光源,可观测到最佳共振波长的变化.SPR传感器灵敏度很高,一般在nmol 量级以上.此外还有相位检测的方法, Kabashin等人[6]采用p偏振的入射光,经分束器后分为一束参考光和一束信号光,观察干涉条纹的分布和强度变化,从而推导出信号光的相位变化和样品折射率的变化.实验中观测到的最小折射率变化为4 ×10-8,比扫描入射角的方法高两个数量级.Ho等人[7]采用的入射光偏振方向为任意的, s偏振的光经棱镜- 金属界面反射后相位变化不大,p偏振的光经棱镜- 金属界面反射后相位发生突变.光束经过共振吸收后的出射光引入Mach - Zehnder干涉仪,然后将干涉图样输入计算机,通过比较由样品折射率变化引起的干涉图样的变化推算相位的变化.这种实验装置消除了由机械振荡或温度变化带来的相位转移.图3所示为一种新的光纤型SPR传感器[8].将一段光纤的包层去掉,在芯层侧面镀上金属膜,在金属膜表面同样固定着一层具有分子识别功能的敏感膜.光波在光纤内部经多次衰减全内反射而耦合到金属膜表面.在光纤的出口端检测出射光.当敏感膜与待测样品发生反应时,出射光强会发生变化,由此判断样品中是否含有待测目标分子及其含量.光纤型SPR传感器具有体积小、可实现远程测量等优点.按信号接受方式不同,可分为在线传输式和终端反射式两种. 其中,对于终端反射式,光线经过两次共振吸收后传输到光纤光谱仪中进行检测,传感部位的光纤长度比在线传输式的短,不需要流通池,而且更适合于远程测量和组成阵列.Brockman等人基于光栅型配置方式进行了SPR传感器的研究[9].耦合器件为镀有金膜的塑料散射光栅,入射到金膜表面的光向各个方向反射,某个反射角的反射光由于与SPW产生共振而强度最小,这个吸收谷可以使用CCD阵列检测. 这种传感器的优点是:抛弃了笨重的棱镜;塑料散射光栅可用光盘刻录技术进行低成本大批量生产;可在同一张光栅上组成阵列. B rockman等人希望进而开发结构类似CD - ROM的传感器,这种传感器将快速从光盘样式的芯片上读取阵列信息.3 SPR应用于近场扫描光学显微技术Fischer等人最早将SPR 技术应用于近场扫描光学显微技术( near2field scanning op tical microscopeNSOM)[10].当时使用的微探针为附着在棱镜表面的聚苯乙烯颗粒.棱镜内全反射的光与镀在棱镜表面和聚苯乙烯颗粒上的金膜产生共振.样品是显微镜的物镜,一方面,可用显微镜来观察和选择聚苯乙烯颗粒,另一方面,物镜的弧度有利于探针和样品的相互接近. 实验显示共振的SPW极大地增强了近场光学显微镜的信噪比.随着NSOM的发展,光纤微探针成为主流. Marti 等人首先使用Kretschmann配置中的镀膜棱镜作为样品,取得同样的效果[11].此外,SPR技术用于研制高分辨率近场光学显微镜.由于NSOM 的光纤微探针尖端无法做得很细,因此分辨率只能达到十几纳米,不能象STM和AFM那样达到原子级分辨率.后来研制出几种高分辨率的NSOM.其中一种基于SPR技术的近场光学显微镜的分辨率可直接达到原子水平.SPW在金属表面传播时,遇到杂质、缺陷等将会发生散射,此处共振的SPW作圆锥辐射,圆锥顶角与入射角相同.若AFM的实心针尖在金属表面扫描,将作为一个散射中心,辐射出的圆锥形光携带针尖处的信息.由于圆锥辐射光比较微弱,一般用一个锁相放大器以一定频率驱动微悬臂,并检测光电转换器件的输出信号中的同频成分.上述应用SPR 技术的近场光学显微镜已经在物理、化学、生物、医学等方面的高分辨率成像得到广泛的应用.值得一提的是,除此基本用途以外,还在以下几方面有着特殊的用途.Bozhvolyi等人将其应用于内表面成像技术.对多层金属薄膜而言,近场区域内的光纤探针检测到的是金属膜内外表面SPW的叠加,通过与剪切力模式得到的表面形貌像综合比较,可以在一定程度上推断内表面形貌[13].应用SPR技术的近场光学显微镜也提供了一种直接研究SPW散射的手段.Smolyaninov等人将246nm的短脉冲准分子激光从光纤微探针的自由端输入,从针尖输出,输出时将聚焦产生局部高温,将平整的样品表面烧出纳米尺度的缺陷[14].使用的针尖不镀膜,一方面可以减小对SPW的干扰,另一方面便于短脉冲激光的输出.在烧出的纳米缺陷区域附近激发SPW,同时可利用NSOM成像观测SPW在缺陷附近的散射及其散射后在金属膜表面的传播性质. 此方面研究有助于提供一种控制SPW传播的方法,即在金属膜表面烧出点、线等结构,使SPW随制作出的结构改变传播方式.SPR技术还被应用于近场光刻中[15—18].其照明方式有两种:p偏振的光照射探针-样品间隙和照射样品-棱镜界面.金属探针进入光场时,p偏振光激发探针表面等离子体共振,使得金属探针的场增强效应比电介质材料的探针强. Haefliger D等人结合SPR技术利用原子力显微镜在Al膜上获得了直径为40nm的记录斑.用532nm的p偏振光照射样品-棱镜界面,通过反射率和透射率随入射角的变化曲线,获得了探针参与下的最佳入射角.4 表面等离子体Q开关受抑全内反射Q开关由两个相对的棱镜组成,快速改变两棱镜间的间隙,可以抑制全内反射,从而改变激光腔内的损耗.但是Q开关只有当两棱镜的间距为0.1个激光波长时,方能充分闭合. 而这个间距在实际应用中,较难达到,所以调制深度不高.清华大学郭继华等人用SPR 技术改进激光技术中的受抑全内反射Q开关,采用Otto型结构,用一个棱镜作反射面,另一个棱镜上镀一层高反射率金属膜[19].反射率与入射角θ、空气间隙d以及入射波长λ有关.对于波长为1064nm的红外光,其反射率最小值出现在间隙为1—2μm的范围内.例如:对于Ag膜,以44.23°入射时,在d=1.87μm处反射率取得最小值,可达10- 4量级.因此两棱镜无需靠得很近,就可以获得较高的调制深度.这一技术弥补了普通受抑全内反射Q开关不适用于短波长激光器的缺点. 而且表面等离子体Q开关更容易调节两个棱镜之间的初始距离. 郭继华等人还研究了表面等离子体Q开关在压电陶瓷驱动下的动态特性曲线,所得动态曲线与普通受抑全内反射Q开关的同类曲线相似[20].采用Otto型结构是为了防止激光直接照射到金属表面,造成激光损伤.但是如果激光谐振腔内的功率密度过大也有可能对金属膜造成损伤.因此这一技术比较适用于二极管抽运的中、小功率全固化激光器.由于只有p 偏振的光才可以激发表面等离子体,因此,与普通受抑全内反射Q开光相比,表面等离子体Q开关的谐振腔内要放置一个偏振片.5 精密角度测量SPR对入射角的敏感特性,可用于制作精密角度测量仪器.图6是郭继华等人研制的一种角度测量仪器[21,22] .棱镜放在旋转台上,通过转动旋转台调节入射角.用棱镜的直角边作为表面等离子体波的激发面,这样还可以保证在入射角变化的时候出射光与入射光始终平行.激光器发出的光经偏振片P变为线偏振光,旋转偏振片可以调节p分量和s分量的比例.入射光在棱镜- 金膜界面上发生衰减全内反射, p分量和s分量反射时既有强度变化,又有相位变化.只有p波才可以激发表面等离子体波,s波不可以激发表面等离子体波.由于共振激发表面等离子体波时的入射角大于全内反射角.所以s波反射率约为1,其相位变化在此条件下也近似是一个常数.而p波的反射率和相位特性则是入射角的函数.当选转台发生微小角度变化时,s分量与p分量相位差发生改变变化,且对角度非常敏感. 如果调节旋转台,使得s分量与p分量的相位变化的差为π/2或- /2π,则反射光经1 /4波片后,便呈线偏光,调节检偏器的透射方向,使探测光强的为零,这时的入射角即是角度测量仪器的工作点.当入射角发生微小变化时,反射光s分量与p分量相位差发生改变,经1/4波片和偏振偏后,探测器所探测到的光强随之变化,从而实现角度的精确测量.压电陶瓷受激振动,使固定于压电陶瓷管的反射镜为光路引入频率为ω的交流信号,此交流信号被锁相放大器检测,起到消除噪声实现精密测量的目的.总之本文介绍了表面等离子体共振技术并介绍了国内外表面等离子体共振技术的一些新应用.由于SPR具有显著的表面增强效应, SPR技术正在被应用到越来越广泛的领域中去,并逐渐发挥出巨大的潜力.参考文献[ 1 ] Otto A. et al. 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表面等离激元生物传感
近年来，表面等离激元生物传感技术引起了广泛关注。

这种技术利用表面等离激元在金属和介质边界上的共振现象，实现对生物分子的高灵敏检测。

通过将金属纳米结构与生物分子结合，表面等离激元生物传感技术为生物医学领域的诊断和治疗提供了新的可能性。

表面等离激元生物传感技术的原理是基于表面等离激元共振的特性。

当光通过金属和介质的边界时，会激发出表面等离激元，形成一种类似于波浪的振动模式。

当生物分子与金属纳米结构相互作用时，会改变表面等离激元的共振条件，从而在光谱上产生明显的变化。

通过检测这种变化，可以实现对生物分子的高灵敏检测。

表面等离激元生物传感技术在医学领域有着广泛的应用前景。

例如，在癌症早期诊断中，利用表面等离激元生物传感技术可以检测血液中的肿瘤标志物，实现对癌症的早期筛查。

此外，表面等离激元生物传感技术还可以用于检测病原体、抗生素残留等，为临床诊断和治疗提供有力支持。

除了医学领域，表面等离激元生物传感技术还可以应用于环境监测、食品安全等领域。

例如，在环境监测中，利用表面等离激元生物传感技术可以检测水中的重金属、有机污染物等，实现对环境污染的快速监测。

在食品安全领域，表面等离激元生物传感技术可以检测食品中的有害物质，保障消费者的食品安全。

表面等离激元生物传感技术作为一种新兴的生物传感技术，具有广阔的应用前景。

它不仅可以在医学领域用于早期诊断和治疗，还可以在环境监测、食品安全等领域发挥重要作用。

随着技术的不断发展和完善，相信表面等离激元生物传感技术将为人类的生活带来更多的福祉。