表面等离子体效应

2016年第35卷第1期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·131·化工进展基于表面等离子体共振效应的Ag(Au)/半导体纳米复合光催化剂的研究进展邵先坤，郝勇敢，刘同宣，胡路阳，王媛媛，李本侠（安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽淮南 232001）摘要：由具有表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）效应的贵金属（Ag、Au等）纳米粒子和半导体纳米结构组成的纳米复合光催化剂具有优异的可见光光催化活性，成为新型光催化材料的研究热点之一。

本文综述了Ag(Au)/半导体纳米复合光催化剂的制备方法、基本性质以及光催化应用方面的一些重要研究进展；重点介绍了Ag(Au)等纳米粒子的表面等离子共振增强可见光催化活性的机理，以及Ag(Au)纳米粒子与不同类型半导体复合的光催化剂的光催化性能，其中所涉及的半导体包括金属氧化物、硫化物和其他一些半导体；本领域未来几年的研究热点将集中于新型高效的Ag(Au)/半导体纳米复合光催化剂的微结构调控及其用于可见光驱动有机反应的机理研究。

本文为基于SPR效应构建Ag(Au)/半导体纳米复合光催化剂的研究提供了有力的参考依据，并且指出Ag(Au)/半导体纳米复合光催化剂的研究是发展可见光高效光催化剂的重要方向。

关键词：贵金属；表面等离子体共振；可见光响应；催化剂；降解；制氢中图分类号：O 649.2 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）01–0131–07DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.01.017Research progress of Ag(Au)/semiconductor nanohybrid photocatalystsbased on surface plasmon resonanceSHAO Xiankun，HAO Yonggan，LIU Tongxuan，HU Luyang，WANG Yuanyuan，LI Benxia （School of Materials Science and Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，Anhui，China）Abstract：Nanohybrid photocatalysts composed of noble metal nanoparticles (Ag，Au，etc.) with surface plasmon resonance (SPR) effect and semiconductor nanostructures have become one of the research hotspots in the field of advanced photocatalysis because of their excellent photocatalytic activity under visible light irradiation. This review summarized some significant research progress about the basic properties，preparation methods and the photocatalytic applications of the plasmonic Ag(Au)/semiconductor nanohybrid photocatalysts. We emphatically introduced the mechanism for the enhanced effect of Ag(Au) nanoparticles with SPR on visible light response photocatalytic activity，as well as the photocatalytic performance of the nanohybrid photocatalysts composed of Ag(Au) nanoparticles and different types of semiconductors，including metal oxides，metal chalcogenides and other semiconductors. The research in this field will focus during the next few years on the microstructure modulation of the novel high-efficiency Ag(Au)/semiconductor nanohybrid photocatalysts and their photocatalytic mechanisms in visible-light-driven organic reactions. This收稿日期：2015-04-21；修改稿日期：2015-06-18。

表面等离子共振效应引言表面等离子共振效应（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种表面物理学现象，它描述了当金属表面与光波相互作用时发生的电子振荡现象。

SPR在光学传感、光电子学、纳米技术等领域具有广泛的应用。

本文将重点讨论SPR的机制、性质以及在生物化学和生物医学中的应用。

SPR的机制SPR的发生基于金属电子与入射光的相互作用。

当光波垂直入射金属表面时，由于金属表面存在自由电子，光子能量将转移到这些自由电子上，产生电子振荡。

这种电子振荡形成了表面等离子体波（Surface Plasmon Polaritons，SPPs），同时也导致入射光波的衰减。

在特定能量下，入射光波的衰减达到最大，这一特定能量称为共振角，此时SPR现象最为显著。

SPR的性质SPR的性质可以通过测量激发金属表面等离子体波时入射光衰减的程度来研究。

以下是一些常见的SPR性质：共振角的依赖性共振角的数值和波长、介质折射率、金属类型等因素密切相关。

根据著名的布拉格方程，当入射光波的波长、介质折射率以及金属类型固定时，共振角可以被准确计算出来。

这种依赖性可以应用于传感器设计和光学薄膜的制备。

反射光谱特征SPR现象可以通过测量反射光的光谱特征来观察。

在入射光波共振的位置，反射光的强度降低，形成一个明显的谷值。

通过分析反射光谱特征，可以获取到很多有用的信息，例如材料的折射率、厚度等。

敏感性SPR对环境介质的敏感性很高。

当用具有特定生物分子的可感测层覆盖金属表面时，这些特定分子的结合会导致环境折射率的变化，从而改变共振角的位置。

通过监测共振角的变化，可以实现生物分子的定量检测，如蛋白质结合、DNA杂交等。

SPR在生物化学中的应用SPR在生物化学领域的应用主要体现在生物分子相互作用和蛋白质结构研究方面。

以下是一些典型的应用案例：生物分子相互作用研究利用SPR技术可以直接监测生物分子间的相互作用过程，无需标记物或染料的参与。

表面等离子体共振的共振波长-概述说明以及解释1.引言1.1 概述表面等离子体共振是一种在纳米尺度上发生的现象，它在光学和电磁学领域具有重要意义。

表面等离子体共振可以简单地理解为，当光波与金属或半导体等材料界面上的自由电子相互作用时，会引起电子在表面上的集体振荡。

这种振荡在特定波长下达到最大，即共振波长，这是表面等离子体共振的现象。

表面等离子体共振现象由于其特殊的光学性质，在各个领域均有重要的应用。

在生物传感器中，表面等离子体共振可以用来检测微生物的存在并进行分析。

在纳米光子学领域，表面等离子体共振可以用来增强光与物质的相互作用，从而提高光学器件的性能。

在太阳能电池中，表面等离子体共振可以提高光吸收效率，从而增加光电转化效率。

此外，表面等离子体共振还可以用于光子集成电路、图像传感和信息存储等领域。

本文将重点介绍表面等离子体共振的共振波长及其产生机制。

通过深入了解共振波长的特性和调节机制，我们可以更好地应用表面等离子体共振现象，并在各个领域中取得更大的突破和进展。

综上所述，本文旨在全面介绍表面等离子体共振的共振波长，通过对其概念和产生机制的研究，探讨其在各个领域中的应用前景。

最后，我们将总结表面等离子体共振的重要特性，并展望其在未来的发展趋势。

文章结构的目的是为了帮助读者更好地理解和组织文章的内容。

通过清晰的结构，读者可以更容易地跟随文章的思路和逻辑。

本文的文章结构如下：1. 引言1.1 概述1.2 文章结构1.3 目的2. 正文2.1 表面等离子体共振的概念2.2 表面等离子体共振的产生机制3. 结论3.1 表面等离子体共振的应用前景3.2 总结文章结构部分主要起到向读者介绍整篇文章的组织框架和目的的作用。

通过明确列出各个章节的标题和内容大致涵盖的内容，读者可以更好地了解接下来的文章会包含哪些方面的知识，并有助于从整体上把握文章的思路和结构。

文章结构的呈现方式可以采用类似上述的列表形式，清晰明了地展示出不同章节的层次关系。

表面等离子体共振原理及其应用李智豪1.表面等离子体共振的物理学原理人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。

1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。

后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。

由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。

1.1 基本原理[1]光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。

等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。

当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。

对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。

金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。

这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场的增强效应等。

表面等离子体效应表面等离子体效应（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）是一种基于光学原理的传感技术，广泛应用于生物医学、环境监测、食品安全等领域。

它利用金属表面的等离子体共振现象，实现对溶液中生物分子的检测和分析。

SPR技术的原理是基于金属表面的等离子体共振现象。

当光通过金属表面时，电磁场与金属表面的自由电子发生相互作用，激发出表面等离子体波。

当入射光的角度和波长满足一定条件时，表面等离子体波会出现共振现象，此时发生的现象被称为SPR。

这种共振现象与金属表面上的折射率有关，当有生物分子与金属表面结合时，折射率发生变化，从而改变了SPR共振角度和共振曲线，通过监测这些变化可以得到生物分子的信息。

SPR技术的优势在于其实时、无标记、非破坏性的特点。

相比传统的生物分析方法，如酶联免疫吸附实验（ELISA）、荧光标记等，SPR 技术无需标记物，不会对样品造成污染，避免了标记物带来的误差和干扰。

另外，SPR技术可以实现实时监测，不需要复杂的前处理步骤，节省了时间和成本。

在生物医学领域，SPR技术被广泛应用于蛋白质相互作用、药物筛选、病原体检测等方面。

通过将一种生物分子固定在金属表面上，并注入待检测的样品，当样品中存在与固定生物分子有特异性相互作用的分子时，SPR共振角度和共振曲线会发生变化，从而可以判断样品中是否存在目标分子。

这种方法可以高灵敏地检测低浓度的分子，为药物研发和疾病诊断提供了有力的工具。

除了生物医学领域，SPR技术还被应用于环境监测和食品安全领域。

例如，通过将特定的抗体固定在金属表面上，可以实现对水中污染物的快速检测；将食品中的残留农药与金属表面上的抗体结合，可以实时监测食品中的农药残留情况。

这些应用不仅提高了检测的灵敏度和准确性，同时也节省了检测时间和成本，为环境保护和食品安全提供了保障。

虽然SPR技术在生物医学、环境监测和食品安全等领域具有广泛的应用前景，但也存在一些挑战和限制。

表面等离子体（surface plasmons，SPs）是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。

表面等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向，它受到了包括物理学家，化学家材料学家，生物学家等多个领域人士的极大的关注。

随着纳米技术的发展，表面等离子体被广泛研究用于光子学，数据存储，显微镜，太阳能电池和生物传感等方面。

科学历史1902年，R. W. Wood在实验中发现了金属光栅的衍射异常现象[1]，在正常的衍射角分布谱中出现了新的衍射峰（谷），1907年Rayleigh在他的衍射理论中尝试解释这一现象[2]，但是直到1941年U. Fano [3]才成功地将这一现象和先前1899-1909年由Zenneck和Sommerfeld提出的电磁表面波(electromagnetic surface wave)的理论[4-5]联系起来。

衍射谱的峰(谷)实际上衍射模式和金属表面的表面等离激元耦合过后的结果。

在特定的衍射角度，当满足波矢匹配(也即光的动量守恒)条件时，光能量可以与表面等离激元能量互相转换，衍射谱图中也就相应的出现峰或谷。

R. H. Ritchie注意到，当高能电子通过金属薄膜时，不仅在等离激元频率处有能量损失，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。

1959年，C. J. Powell和J. B. Swan通过实验证实了R. H. Ritchie的理论。

1960年，E. A. Stren和R. A. Farrel研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离激元（SurfacePlasmon，SP）的概念。

在纳米技术成熟之后，表面等离子体受到了人们极大的关注，从20世纪90年代起成为研究的热点。

它已经被应用于包括生物化学传感，光电子集成器件多个领域。

基本原理表面等离子体（Surface Plasmons，SPs）是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。

表面等离子体共振效应在光电催化中的应用及机理研究杨皓;方萍萍;童叶翔【摘要】面对日益严峻的能源和环境问题,人们对可再生能源的需求日益增强.本文通过以金为核的二元及三元纳米粒子,设计了一种表面等离子体共振(surface plasmonic resonance,SPR)增强的光电催化剂.其中,金核通过SPR效应在光照下产生光热效应及光电效应,提高了材料的催化活性.光照条件下纳米粒子表面的局域热点温度可以通过4-甲氧基异腈苯探针分子利用表面增强拉曼光谱得到.同时利用对氨基苯硫酚(PATP)探针分子证实SPR产生的光电催化效应.最重要的是,通过定量计算得到了光热效应及光电效应在SPR增强的光电催化性能各自的贡献.这些结果为表面等离子体共振协助增强的光电催化反应提供理论依据,并为新型光电催化材料提供了新的设计思路.【期刊名称】《光散射学报》【年(卷),期】2018(030)003【总页数】9页(P236-244)【关键词】金纳米粒子;表面等离子体共振;光电催化;表面增强拉曼光谱【作者】杨皓;方萍萍;童叶翔【作者单位】中山大学化学学院,广州510275;中山大学化学学院,广州510275;中山大学化学学院,广州510275【正文语种】中文【中图分类】O431 引言催化是实现物质转化的重要化学途径,光电催化作为一种绿色的光电转换技术而得到人们的广泛关注[1-3]。

目前光电催化在水分解制氢、二氧化碳还原和环境污染治理等方面均取得了重要的进展,是解决能源短缺和环境污染问题的有效途径[4-6]。

近些年,光电催化的研究重点已经从紫外光区移到可见光区,但实现可见光区波长可控的光电催化仍然十分困难[7-8]。

而具有表面等离子体共振效应(surface plasmonic resonance,SPR)的金属纳米粒子可以吸收可见光,并将其转化为化学能,是实现可见光区波长可控的光电催化反应的重要途径。

表面等离子体是在金属表面存在的自由振动电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波[9]。

使用表面等离子体共振技术检测生物分子的最佳实践引言：生物分子的检测在生物医学领域具有重要意义。

表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）技术作为一种无标记、实时、高灵敏度的分析方法，已被广泛应用于生物分子的检测。

本文将探讨使用SPR技术检测生物分子的最佳实践。

一、SPR技术的原理和优势SPR技术基于表面等离子体共振效应，通过监测光的全反射角度的变化来实时监测生物分子的相互作用。

相比传统的检测方法，SPR技术具有以下优势：1. 无标记：SPR技术不需要使用荧光标记或放射性标记，避免了标记物对生物分子的影响，同时也减少了实验步骤和成本。

2. 实时监测：SPR技术可以实时监测生物分子的相互作用过程，提供了更准确和详细的动态信息。

3. 高灵敏度：SPR技术可以检测到非常低浓度的生物分子，具有高灵敏度和高分辨率。

二、样品准备与实验设计在使用SPR技术检测生物分子之前，样品的准备和实验设计是非常关键的。

以下是一些最佳实践的建议：1. 样品纯度：为了获得准确的结果，样品的纯度是非常重要的。

在进行SPR 实验之前，应通过适当的纯化方法去除可能存在的杂质。

2. 浓度选择：样品的浓度应根据实验需求进行选择。

对于低浓度的样品，可以通过预处理方法进行浓缩，以提高信号强度和灵敏度。

3. 控制组设计：为了减少误差和验证实验结果的可靠性，应设计适当的对照组。

例如，可以使用阴性对照来排除非特异性的相互作用，或者使用已知浓度的阳性对照来验证SPR结果的准确性。

三、传感芯片选择与制备传感芯片是SPR技术中的关键组成部分，选择合适的传感芯片并进行适当的制备是保证实验成功的重要步骤。

1. 选择传感芯片：根据实验的需要，选择合适的传感芯片。

常用的传感芯片包括金属薄膜芯片、光纤传感芯片等。

不同的传感芯片具有不同的特性和应用范围，应根据实验需求进行选择。

2. 表面修饰：为了实现特定生物分子的检测，可以对传感芯片表面进行修饰。

表面等离子体共振效应表面等离子体共振效应是一种物理现象，指的是当光线照射到特定材料的表面时，由于表面的电子与光子发生共振，导致光的吸收或散射现象。

这一效应在光学、纳米科技和传感器等领域有广泛的应用和研究。

表面等离子体共振效应的产生与材料的电子结构有关。

当光线照射到材料表面时，光子的能量可以被表面的自由电子吸收。

如果光的频率与表面电子的共振频率相匹配，共振现象就会发生。

在共振状态下，光的能量被电子吸收，使得电子从基态跃迁到激发态，同时光的传播也受到电子的耗散和散射影响。

表面等离子体共振效应的发生与材料的光学性质密切相关。

常见的表面等离子体共振材料包括金属纳米粒子、金属薄膜和光子晶体等。

其中，金属纳米粒子由于其尺寸效应和量子效应的影响，具有较高的表面等离子体共振效应。

金属薄膜由于其导电性和反射率的特点，也常被用于表面等离子体共振研究。

光子晶体则是一种具有周期性结构的材料，通过调控其结构参数可以实现对光的调控和控制。

表面等离子体共振效应在光学领域有着广泛的应用。

一方面，通过调控材料的结构和光的频率，可以实现对光的吸收、透射和散射的调控，从而实现对光的传播和控制。

这种调控可以应用于光学器件、光学传感器、光子学芯片等领域。

另一方面，表面等离子体共振效应还可以用于增强光与物质的相互作用，提高传感器的灵敏度和检测限。

例如，利用表面等离子体共振效应可以实现对生物分子的检测和分析，应用于生物医学和生物传感器领域。

除了光学领域，表面等离子体共振效应还在纳米科技领域有重要应用。

通过利用表面等离子体共振效应，可以实现对纳米结构的控制和调控。

例如，在纳米材料的合成、纳米器件的制备和纳米加工等方面，表面等离子体共振效应都发挥着重要的作用。

此外，表面等离子体共振效应还可以用于纳米颗粒的聚集和自组装，从而实现对纳米结构的精确控制和调控。

表面等离子体共振效应是一种重要的物理现象，具有广泛的应用前景。

通过对材料结构和光学性质的调控，可以实现对光的传播和控制，应用于光学器件、传感器、纳米科技等领域。

光学器件的表面等离子体共振效应光学器件是一种利用光学原理来控制和操纵光的设备。

在光学器件中，表面等离子体共振效应是一种重要的现象。

它是指当光束照射到特定的金属或半导体材料的表面时，由于金属或半导体表面的自由电子与光场相互作用，产生一种共振现象。

这种共振现象可以用来增强光的吸收、散射和传输效果，从而提高光学器件的性能。

表面等离子体共振效应的基本原理是电磁波与金属或半导体表面的自由电子相互作用。

当光束照射到金属或半导体表面时，光子的能量被转化为电子的动能，从而激发表面等离子体振荡。

这种振荡会导致电磁波在表面上的传播速度变慢，从而形成一种表面电磁波。

当入射光的频率与表面等离子体振荡频率匹配时，表面等离子体共振就会发生。

表面等离子体共振效应在光学器件中有着广泛的应用。

其中一个重要的应用是增强光的吸收。

由于表面等离子体共振效应可以使光在金属或半导体表面上停留更长的时间，因此光的吸收效率会大大提高。

这一特性可以用来制造高效的太阳能电池，将太阳光的能量转化为电能。

此外，表面等离子体共振效应还可以用于制造高灵敏度的光学传感器，检测微量的化学物质或生物分子。

除了增强光的吸收外，表面等离子体共振效应还可以用来增强光的散射。

当光束照射到金属或半导体表面时，表面等离子体共振效应会导致光的散射强度增加。

这一特性可以用来制造高效的光散射器，将光的能量均匀地散射到空间中。

在光学通信领域，这一特性可以用来增强光的传输距离和传输速率。

此外，表面等离子体共振效应还可以用来制造超分辨率显微镜。

由于表面等离子体共振效应可以使光的焦点缩小到纳米尺度，因此可以实现超高分辨率的显微观测。

这一技术在生物医学研究和纳米材料研究中具有重要的应用价值。

然而，表面等离子体共振效应也存在一些挑战和限制。

首先，表面等离子体共振效应对光的入射角度非常敏感，需要精确控制入射角度才能实现共振效应。

其次，由于金属或半导体表面的损耗，表面等离子体共振效应会导致光的吸收和传输损失。