Plazmon rezonancia

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. május 24-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 2 szerkesztést igényelnek .
Plazmon rezonancia
Osztályozás: Lokalizált plazmonrezonancia [1]
Csoport: Plazmon , rezonancia

A plazmonrezonancia ( angolul  plasmon resonance ) az elektronok rezonanciarezgése, amikor a felületi plazmont a rezonanciafrekvenciáján külső elektromágneses hullám gerjeszti (nanoméretű fémszerkezetek esetében ezt lokalizált plazmonrezonanciának nevezik ) [1] . Ez a hatás sok olyan eszköz hátterében áll, amelyekkel egy anyag fémfelületeken való adszorpcióját mérik, amelyekre a felületi plazmonrezonancia (SPR; Surface plasmon resonance - SPR ) jelensége jellemző [2] .

Történelem

Wood első, 1902-es megfigyelése óta az SPR fizikai jelenségének népszerűsége exponenciálisan nőtt. A tudós rendellenes sötét és világos sávokat vett észre a visszavert fényben [3] [4] [5] . Lord Rayleigh képes volt fizikailag értelmezni ezt az anomáliát, de ennek a jelenségnek a magyarázata lehetetlen maradt [6] . Otto és Kretschmann 1968-ban számolt be a felszíni plazmonrezonancia jelenségéről [7] .

1983-ban alkalmazták először az SPR-t biomolekulák SPR-diagnosztikájában [8] . És 2006-ban megjelent az első kereskedelmi termék - a Biacore készülék a biomolekuláris kölcsönhatások tanulmányozására [9] .

Azóta a PPR szondázás egyre nagyobb figyelmet kapott a tudományos közösségtől. A PPR gyorsan lendületet kap a kvantitatív analízis területén a klinikai laboratóriumban az enzimimmunoassay, a mutációk kimutatása, a terápiás gyógyszer-monitoring (TDM) és egyebek terén. A 2005-2015 közötti időszakban az SPR diagnosztika a hagyományos Kretschmann prizmákról a szálas érzékelők új generációja felé mozdult el mikro- vagy nanoszerkezettel az SPR fokozása érdekében [10] .

Plasmon

A felszíni plazmonok keletkezésének szükséges feltétele a szabad elektronok jelenléte két anyag határfelületén. A gyakorlatban ez mindig azt jelenti, hogy az egyik ilyen anyag egy fém (általában arany), ahol sok szabad elektron van. Ez a feltétel természetesen következik a fém/dielektromos interfész elemzéséből a Maxwell-egyenlet segítségével . Ebből az elemzésből az a kép rajzolódik ki, hogy a felületi plazmonok a fém és a dielektrikum határfelületén keletkező , terjedő elektronsűrűség -hullámoknak tekinthetők [11] .

Magyarázat

Az a technika, amely lehetővé teszi a felületi plazmonok használatát az optikában, a teljes belső visszaverődésen alapul . Teljes belső visszaverődés esetén a fényt visszaverő felület mentén elektromágneses hullám terjed, melynek sebessége a beesési szögtől függ. Ha egy bizonyos beesési szög mellett ennek a hullámnak a sebessége egybeesik egy felületi plazmon sebességével a fém felületén, akkor a teljes belső visszaverődés feltételei megsérülnek, és a visszaverődés megszűnik, és egy felület plazmonrezonancia lép fel [1] .

A dielektrikum és fém határfelületén terjedő felületi plazmonhullám terjedési állandóját a következő kifejezés határozza meg:

ahol k jelöli a hullámszámot a szabad térben,  a fém permittivitását és  a dielektrikum törésmutatóját [12] .

A kifejezésből az következik, hogy az arany, ezüst és számos más fém megfelel a feltételnek .

A nanoméretű fémes rendszerekben a kollektív elektronikus gerjesztés módosul. A környezetben lévő elektromágneses sugárzás hullámhosszánál kisebb méretű fém nanorészecskék kollektív elektronikus gerjesztése - egy lokalizált felületi plazmon - a tömbplazmon frekvenciájánál √3-szor kisebb frekvencián rezeg, míg a frekvencia A felszíni plazmon gyakorisága körülbelül √2-szer kisebb, mint a tömeges plazmon. Amikor a külső tér frekvenciája egybeesik a lokalizált felszíni plazmon frekvenciájával, rezonancia lép fel, ami a részecske felületén lévő tér éles növekedéséhez és az extinkciós keresztmetszet növekedéséhez vezet [1] .

A lokalizált plazmonok tulajdonságai kritikusan függnek a nanorészecskék alakjától, ami lehetővé teszi a rezonanciarendszerük hangolását a fény- vagy elemi kvantumrendszerekkel való hatékony kölcsönhatásra [1] .

Alkalmazások

Mivel a felszíni plazmonhullámok (SPW) terjedési hossza nagyon korlátozott, az érzékeny hatás közvetlenül abban a régióban történik, ahol az SPW-t egy optikai hullám gerjeszti. Az SPR gerjesztésére használt optikai rendszer egyidejűleg az SPR mérésére is szolgál. Így az SPR érzékelők érzékenysége nem profitálhat a megnövekedett szenzorinterakciós hosszból, ahogy ez jellemzően a dielektromos hullámvezetők szabályozott üzemmódját használó érzékelőknél fordul elő . A PPW terjedési állandója mindig magasabb, mint az optikai hullám terjedési állandója egy dielektrikumban, ezért a PPW nem gerjeszthető közvetlenül egy lapos fém-dielektrikum határfelületen beeső optikai hullám által. Ezért a beeső optikai hullám impulzusát növelni kell, hogy megfeleljen az APW lendületének . Ezt az impulzusváltozást általában a prizmacsatolókban és az optikai hullámvezetőkben lévő csillapított teljes visszaverődéssel, valamint a diffrakciós rácsok felületén történő diffrakcióval érik el.

Az SPR érzékelők általában a következő alapvető észlelési módszereket használják:

1. Optikai hullám rezonanciaközeli intenzitásának mérése [13] [14] .

2. Optikai hullám rezonanciaimpulzusának mérése, beleértve a szög [15] [16] és az SPR hullám mérését [17] [18] [19] .

SPR immunoassay (SPR)

Az első enzimes immunoassay-t SPR-re 1983-ban javasolta Lidberg, Nylander és Lundström, akik akkor a Linköping Institute of Technology-ban (Svédország) dolgoztak [13] . A humán IgG-t adszorbeálták egy 600 angström méretű ezüstfilmre, és a vizsgálatot használták az anti-humán IgG antitestek kimutatására vizes oldatban. Sok más immunoassay-től, például az ELISA-tól eltérően az SPR immunoassay nem tartalmaz jelöléseket, mivel nincs szükség jelölőmolekulára az analit kimutatásához [20] . Ezenkívül az SPR mérések valós időben követhetők, lehetővé téve az egymást követő kötési események egyes lépéseinek nyomon követését, ami különösen hasznos például szendvicskomplexek kiértékelésekor.

Adatértelmezés

Az adatok legáltalánosabb értelmezése a Fresnel-képleteken alapul, amelyek a kialakult vékonyrétegeket végtelen folytonos dielektromos rétegként kezelik. Ez az értelmezés számos lehetséges törésmutató- és vastagságértékhez vezethet. Általában azonban csak egy megoldás van egy ésszerű adattartományon belül. A többparaméteres felületi plazmonrezonanciában két SPR-görbét kapunk két különböző hullámhosszú szögtartomány letapogatásával, ami egyedülálló megoldást eredményez mind a vastagság, mind a törésmutató tekintetében.

A fémrészecskék plazmonjait általában a Mie szórási elmélettel modellezik.

Sok esetben nem használnak részletes modelleket, hanem az érzékelőket egy adott alkalmazáshoz kalibrálják, és egy kalibrációs görbén belül interpolálják.

Az anyag jellemzői

A többparaméteres felületi plazmonrezonancia, egy speciális SPR konfiguráció, alkalmas rétegek és réteghalmazok jellemzésére. A kötési kinetika mellett az MP-SPR a valós rétegvastagság és a törésmutató tekintetében is tud információt szolgáltatni a szerkezeti változásokról. Az MP-SPR-t sikeresen alkalmazták lipidek [21] , CVD-vel leválasztott egyrétegű grafén (3,7 Å) [22] és mikrométer vastag polimerek [23] célzásának és szétszakításának mérésére .

Jegyzetek

  1. ↑ 1 2 3 4 5 Naimushina Daria Anatoljevna. Plasmon Resonance, "Nanotechnológiai kifejezések szótára" . Rosnano . Letöltve: 2012. augusztus 21. Az eredetiből archiválva : 2012. november 1..
  2. ↑ MA Ordal, LL Long, RJ Bell, SE Bell, RR Bell. Az Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti és W fémek optikai tulajdonságai infra- és távoli infravörösben (EN) // Alkalmazott optika. — 1983-04-01. - T. 22 , sz. 7 . – S. 1099–1119 . — ISSN 2155-3165 . - doi : 10.1364/AO.22.001099 . Archiválva az eredetiből: 2020. június 28.
  3. ↑ Andreas Otto. Nem sugárzó felületi plazmahullámok gerjesztése ezüstben a frusztrált teljes visszaverődés módszerével  //  Zeitschrift für Physik A Hadrons and nuclei. - 1968-08-01. — Vol. 216 , iss. 4 . - P. 398-410 . — ISSN 0939-7922 . - doi : 10.1007/BF01391532 .
  4. ↑ RW Wood. évi XLII. A fény egyenetlen eloszlásának figyelemre méltó esetéről a diffrakciós rácsspektrumban  // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1902-09-01. - T. 4 , sz. 21 . – S. 396–402 . — ISSN 1941-5982 . - doi : 10.1080/14786440209462857 .
  5. ↑ RW Wood. XXVII. Diffrakciós rácsok szabályozott barázdaformával és abnormális intenzitáseloszlással  //  The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1912-02. — Vol. 23 , iss. 134 . — P. 310–317 . - ISSN 1941-5990 1941-5982, 1941-5990 . - doi : 10.1080/14786440208637224 .
  6. ↑ Lord Rayleigh OM Pres RS XII. A hangirány-felfogásunkról  // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — 1907-02-01. - T. 13 , sz. 74 . – S. 214–232 . — ISSN 1941-5982 . doi : 10.1080 / 14786440709463595 .
  7. ↑ Karl Zilles, Este Armstrong, Axel Schleicher, Hans-Joachim Kretschmann. Az agykéregben a gyrifikáció emberi mintázata  (angol)  // Anatómia és embriológia. - 1988-11-01. — Vol. 179 , iss. 2 . - 173-179 . o . — ISSN 1432-0568 . - doi : 10.1007/BF00304699 .
  8. ↑ Matthew Fivash, Eric M Towler, Robert J Fisher. BIAcore a makromolekuláris interakcióhoz  (angol)  // Current Opinion in Biotechnology. - 1998-02-01. — Vol. 9 , iss. 1 . — P. 97–101 . — ISSN 0958-1669 . - doi : 10.1016/S0958-1669(98)80091-8 .
  9. ↑ Laure Jason-Moller, Michael Murphy, JoAnne Bruno. A Biacore rendszerek és alkalmazásaik áttekintése  //  Current Protocols in Protein Science. - 2006. - Vol. 45 , iss. 1 . — P. 19.13.1–19.13.14 . — ISSN 1934-3663 . - doi : 10.1002/0471140864.ps1913s45 .
  10. ↑ Pranveer Singh. SPR Bioszenzorok: Történelmi perspektívák és jelenlegi kihívások  //  Érzékelők és működtetők B: Kémiai. — 2016-06-28. — Vol. 229 . — P. 110–130 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/j.snb.2016.01.118 . Archiválva az eredetiből 2017. január 18-án.
  11. ↑ Richard BM Schasfoort. A felszíni plazmonrezonancia kézikönyve: 2. kiadás . - Royal Society of Chemistry, 2017-05-30. — 555 p. - ISBN 978-1-78262-730-2 .
  12. ↑ Jiřı́ Homola, Sinclair S. Yee, Günter Gauglitz. Felületi plazmonrezonancia érzékelők: áttekintés  //  Szenzorok és működtetők B: Kémiai. — 1999-01-25. — Vol. 54 , iss. 1 . — P. 3–15 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/S0925-4005(98)00321-9 . Az eredetiből archiválva: 2014. január 10.
  13. ↑ 1 2 Bo Liedberg, Claes Nylander, Ingemar Lunström. Felületi plazmonrezonancia gázdetektáláshoz és bioérzékeléshez  //  Érzékelők és működtetők. - 1983-01-01. — Vol. 4 . — P. 299–304 . — ISSN 0250-6874 . - doi : 10.1016/0250-6874(83)85036-7 . Az eredetiből archiválva: 2012. január 12.
  14. ↑ M. Manuel, B. Vidal, Raul Lopez, Salvador Alegret, Julian Alonso-Chamarro. Valószínű alkoholhozam meghatározása mustban SPR optikai érzékelővel  //  Szenzorok és működtetők B: Kémiai. - 1993-03-01. — Vol. 11 , iss. 1 . — P. 455–459 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(93)85287-K .
  15. ↑ Koji Matsubara, Satoshi Kawata, Shigeo Minami. Optikai kémiai érzékelő felületi plazmon mérésen (EN) // Alkalmazott optika. - 1988-03-15. - T. 27 , sz. 6 . - S. 1160-1163 . — ISSN 2155-3165 . - doi : 10.1364/AO.27.001160 . Archiválva az eredetiből: 2020. augusztus 12.
  16. ↑ B. Liedberg, I. Lundström, E. Stenberg. A kiterjesztett csatolási mátrixszal és felületi plazmonrezonanciával végzett bioszenzorálás elvei  //  Szenzorok és működtetők B: Kémiai. - 1993-03-01. — Vol. 11 , iss. 1 . — P. 63–72 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(93)85239-7 .
  17. ↑ L.-M. Zhang, D. Uttamchandani. Optikai kémiai érzékelés felületi plazmonrezonanciával  //  Electronics Letters. — 1988-11-10. — Vol. 24 , iss. 23 . - P. 1469-1470 . — ISSN 1350-911X . - doi : 10.1049/el:19881004 . Archiválva : 2020. november 10.
  18. ↑ R. C. Jorgenson, S. S. Yee. Felületi plazmonrezonancián alapuló száloptikai kémiai érzékelő  //  Érzékelők és működtetők B: Kémiai. - 1993-04-15. — Vol. 12 , iss. 3 . — P. 213–220 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(93)80021-3 . Az eredetiből archiválva : 2012. február 11.
  19. ↑ PS Vukusic, GP Bryan-Brown, JR Sambles. Felületi plazmonrezonancia rácsokon, mint újszerű gázérzékelési módszer  //  Szenzorok és működtetők B: Kémiai. - 1992-05-01. — Vol. 8 , iss. 2 . — P. 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. Bizonyíték a lokalizált felületi plazmon által megerősített magneto-optikai hatásról nanodisk tömbben  // Applied Physics Letters. — 2010-02-22. - T. 96 , sz. 8 . - S. 081915 . — ISSN 0003-6951 . - doi : 10.1063/1.3334726 .
  21. ↑ Niko Granqvist, Marjo Yliperttula, Salla Välimäki, Petri Pulkkinen, Heikki Tenhu. A lipidrétegek morfológiájának szabályozása szubsztrátumfelszíni kémiával  // Langmuir. — 2014-03-18. - T. 30 , sz. 10 . – S. 2799–2809 . — ISSN 0743-7463 . - doi : 10.1021/la4046622 .
  22. ↑ Henri Jussila, He Yang, Niko Granqvist, Zhipei Sun. Felületi plazmonrezonancia nagy területű atomi rétegű grafénfilm (EN) jellemzésére // Optica. — 2016-02-20. - T. 3 , sz. 2 . – S. 151–158 . — ISSN 2334-2536 . - doi : 10.1364/OPTICA.3.000151 . Archiválva : 2020. május 3.
  23. ↑ Kristiina Korhonen, Niko Granqvist, Jarkko Ketolainen, Riikka Laitinen. Vékony polimer filmekből származó gyógyszerkibocsátási kinetika monitorozása többparaméteres felületi plazmonrezonanciával  (angol)  // International Journal of Pharmaceutics. — 2015-10-15. — Vol. 494 , iss. 1 . — P. 531–536 . — ISSN 0378-5173 . - doi : 10.1016/j.ijpharm.2015.08.071 .

Lásd még

Irodalom