Oberflächenplasmonresonanz

Mandy Engel Kann 25, 2016 O 57 0
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Oberflächenplasmonresonanz ist die Resonanzschwingung der Leitungselektronen an der Grenzfläche zwischen einer negativen und positiven Dielektrizitätskonstante Material durch einfallendes Licht stimuliert wird. Die Resonanzbedingung eingerichtet ist, wenn die Frequenz der einfallenden Photonen der Eigenfrequenz des schwingenden Oberflächenelektronen gegen die Rückstellkraft der positiven Kernen entspricht. SPR in Subwellenlängen Skala Nanostrukturen polaritonic oder Plasmonen in der Natur.

SPR ist die Basis vieler Standardmitteln zur Messung der Adsorption von Material auf ebene Metalloberflächen oder auf die Oberfläche der Metall-Nanopartikel. Es ist das Grundprinzip hinter vielen farbbasierte Biosensor-Anwendungen und verschiedenen Lab-on-a-Chip-Sensoren.

Erläuterung

Oberflächenplasmonen sind Fläche elektromagnetische Wellen, die in einer Richtung parallel zu der Metall / Dielektrikum-Grenzfläche ausbreiten. Da die Welle ist an der Grenze des Metalls und des äußeren Mediums, diese Schwingungen sind sehr empfindlich auf jede Änderung dieser Grenze, wie die Adsorption von Molekülen an der Metalloberfläche.

Um die Existenz und die Eigenschaften von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen beschreiben, kann man aus verschiedenen Modellen wählen. Der einfachste Weg, um das Problem anzugehen ist es, jedes Material als ein homogenes Kontinuum von einem frequenzabhängigen relativen Dielektrizitätskonstante zwischen dem Außenmedium und der Oberfläche beschrieben, zu behandeln. Diese Menge, im Folgenden als der Materialien bezeichnet "dielektrische Funktion," ist komplex Dielektrizitätskonstante. Damit die Bedingungen, die die elektronischen Oberflächenplasmonen zu existieren zu beschreiben, muß der Realteil der dielektrischen Konstante des Metalls negativ und sein Betrag größer als der der dielektrischen sein. Dieser Zustand ist in der IR-sichtbaren Wellenlängenbereich für die Luft / Metall und Wasser / Metall-Grenzflächen erreicht.

LSPRs sind kollektive Elektronenladung Schwingungen in metallische Nanopartikel, die durch Licht angeregt werden. Sie zeigen eine verbesserte Nahfeld-Amplitude bei der Resonanzwellenlänge. Dieses Feld ist stark an der Nanopartikel lokalisiert und zerfällt rasch von Nano- / dieletric Schnittstelle in das Dielektrikum Hintergrund, obwohl Fernfeldstreuung durch die Teilchen auch durch die Resonanz verstärkt. Lichtintensitätsverbesserung ist ein sehr wichtiger Aspekt der LSPRs und Lokalisierungsmittel die LSPR hat eine sehr hohe räumliche Auflösung nur durch die Größe der Nanopartikel beschränkt. Wegen der verbesserten Feldamplitude, werden die Wirkungen, die von der Amplitude abhängt, wie beispielsweise magneto-optischen Effekt auch durch LSPRs verbessert.

Realisierung

Um Oberflächenplasmonen in resonant anzuregen, kann man eine Elektronen- oder Lichtstrahl zu verwenden. Der einfallende Strahl hat seinen Schwung zu, dass der Plasmonen entsprechen. Im Fall von p-polarisiertem Licht, das ist, indem das Licht durch ein Glasblock, um die Wellenzahl bei einer gegebenen Wellenlänge und dem Winkel zu erhöhen, und zur Erreichung der Resonanz möglich. S-polarisierte Licht nicht elektronische Oberflächenplasmonen zu erregen. Elektronischen und magnetischen Oberflächenplasmonen gehorchen die folgende Dispersionsrelation:

wobei die dielektrische Konstante und die magnetische Permeabilität des Materials.

Typische Metalle, die Oberflächenplasmonen zu unterstützen sind Silber und Gold, aber Metalle, wie Kupfer, Titan oder Chrom, wurden ebenfalls verwendet.

Bei der Verwendung von Licht, um SP Wellen anzuregen, gibt es zwei Konfigurationen, die allgemein bekannt sind. In der Otto-Setup, leuchtet das Licht die Wand eines Glasblocks, typischerweise ein Prisma und wird total reflektiert. Ein dünner Metallfilm ist nahe genug an der Prismenwand, so dass eine evaneszente Welle mit den Plasmawellen auf der Oberfläche in Wechselwirkung treten und somit erregt Plasmonen.

In Kretschmann-Anordnung, wird der Metallfilm auf dem Glasblock eingedampft. Das Licht wieder beleuchtet die Glasblock und eine abklingende Welle durch den Metallfilm durchdringt. Die Plasmonen an der Außenseite des Films angeregt. In den meisten praktischen Anwendungen wird diese Konfiguration verwendet.

SPR Emissions

Wenn die Oberflächenplasmonenwelle in Wechselwirkung mit einem lokalen Teilchens oder einer Unregelmäßigkeit, beispielsweise eine rauhe Oberfläche, einen Teil der Energie als Licht reemittiert werden. Dieses emittierte Licht hinter der Metallfilm aus verschiedenen Richtungen erfaßt werden.

Anwendungen

Oberflächenplasmonen sind verwendet worden, um die Oberflächenempfindlichkeit von mehreren spektroskopische Messungen, einschließlich Fluoreszenz, Raman-Streuung, und die Erzeugung der zweiten Harmonischen zu verbessern. Jedoch in ihrer einfachsten Form, SPR Messungen des Reflexionsvermögens verwendet werden, um molekulare Adsorption zu erfassen, wie beispielsweise Polymere, DNA oder Proteine ​​usw. Technisch ist es üblich, daß der Winkel des Reflexionsminimums gemessen wird. Dieser Winkel ändert sich in der Größenordnung von 0,1 ° während der Dünnfilm-Adsorption. In anderen Fällen sind die Änderungen in der Absorptionswellenlänge folgt. Der Mechanismus der Erfassung auf, dass die adsorbierenden Molekülen führen zu Veränderungen des lokalen Brechungsindex, die Änderung der Resonanzbedingungen der Oberflächenplasmonwellen.

Wenn die Oberfläche mit unterschiedlichen Biopolymeren, mittels geeigneter Optik und Bildsensoren gemustert, kann die Technik erweitert werden, um Oberflächenplasmonresonanz-Bildgebung. Dieses Verfahren liefert einen hohen Kontrast der Bilder auf der Grundlage der adsorbierten Menge an Molekülen, ähnlich wie Brewster-Winkel-Mikroskopie.

Für Nanopartikel können lokalisierte Oberflächenplasmonenschwingungen Vorrücken in den intensiven Farben der Suspensionen oder Solen, die die Nanopartikel zu geben. Nanopartikel oder Nanodrähte von Edelmetallen zeigen starke Absorptionsbanden im ultravioletten und sichtbaren Regime, das nicht in der Massenmetall vorhanden sind. Diese außergewöhnliche Absorptionszunahme wurde ausgenutzt, um die Lichtabsorption in Photovoltaik-Zellen durch Abscheiden von Metall-Nanopartikeln auf der Zelloberfläche zu erhöhen. Die Energie dieser Absorption unterscheidet sich, wenn das Licht entlang oder senkrecht zu der Nanodraht polarisiert. Verschiebungen dieser Resonanz aufgrund von Änderungen in dem lokalen Brechungsindex bei der Adsorption an die Nanopartikel können auch verwendet werden, um Biopolymeren wie DNA oder Proteine ​​zu detektieren. Verwandte komplementären Techniken umfassen Plasmonresonanz-Wellenleiter, QCM, außergewöhnliche optische Übertragung, und Dual-Polarisations-Interferometrie

SPR Immunoassay

Die erste SPR-Immunoassay wurde 1983 von Liedberg, Nylander und Lundström der Linköping Institute of Technology vorgeschlagen, dann. Sie adsorbiert human IgG auf einem 600-Angström-Silberfilm und den verwendeten Assay auf Anti-Human-IgG in einer Wasserlösung zu erfassen. Anders als viele andere Immunoassays, wie ELISA, ist ein SPR-Immunoassay Etikett frei in das ein Etikett Molekül nicht für den Nachweis des Analyten erforderlich sind.

Zur Interpretation der Daten

Die häufigste Interpretation der Daten basiert auf den Fresnel-Formeln, die die gebildeten Dünnfilmen als unendlich, kontinuierlichen dielektrischen Schichten zu behandeln, basiert. Diese Interpretation kann mehrere mögliche Brechungsindex und Dicke-Werte haben. Allerdings ist in der Regel nur eine Lösung innerhalb der angemessenen Datenbereich.

Metallpartikelplasmonen sind in der Regel mit Hilfe der Mie-Streutheorie modelliert.

In vielen Fällen keine detaillierte Modelle angewendet werden, jedoch sind die Sensoren für die spezifische Anwendung kalibriert und mit Interpolation innerhalb der Standardkurve verwendet.

Beispiele

Schicht-für-Schicht self-assembly

Eine der ersten gemeinsamen Anwendungen der Oberflächenplasmonresonanz-Spektroskopie wurde die Messung der Dicke der adsorbierten selbstorganisierte Nanofilme auf Goldsubstraten. Die Resonanzkurven Verschiebung zu höheren Winkeln, wie die Dicke der adsorbierten Films zunimmt. Dieses Beispiel ist eine "statische SPR 'Messung.

Bei höherer Geschwindigkeit Beobachtung gewünscht wird, kann man einen Winkel direkt unterhalb der Resonanzpunkt zu wählen, und messen Veränderungen des Reflexionsvermögens zu diesem Zeitpunkt. Dies ist die so genannte "dynamische SPR 'Messung. Die Interpretation der Daten wird davon ausgegangen, daß die Struktur des Films nicht wesentlich während der Messung verändern.

Bindungskonstante Bestimmung

Wenn die Affinität von zwei Liganden bestimmt werden soll, muss die Bindungskonstante bestimmt werden. Es ist der Gleichgewichtswert für den Artikel Quotienten. Dieser Wert kann auch mit Hilfe der dynamischen SPR Parameter gefunden werden und, wie in jeder chemischen Reaktion, es ist die Assoziationsgeschwindigkeit geteilt durch die Dissoziationsgeschwindigkeit.

Hierzu wird ein Köder Liganden auf der Dextranoberfläche des SPR Kristalls verankert. Durch ein Mikroströmungssystem wird eine Lösung mit dem Raub Analyten über die Köder Schicht injiziert. Wie die Beute Analyten bindet den Köder Ligand wird eine Erhöhung in SPR-Signal beobachtet. Nachdem gewünschte Assoziation Zeit wird eine Lösung ohne die Beute Analyten auf der Mikrofluidik, welche die gebundene Komplex zwischen Köder und Beute-Ligand-Analyt eingespritzt. Jetzt als Beute-Analyt von der Köder Ligand, ein Rückgang der SPR-Signal beobachtet wird. Aus diesen Assoziation und Dissoziation Raten kann die Gleichgewichts-Dissoziationskonstante berechnet werden.

Die tatsächliche SPR-Signal kann durch die elektromagnetische 'Kopplung' des einfallenden Lichts mit Oberflächenplasmonen der Goldschicht erläutert. Diese Plasmonen kann durch die Schicht nur wenige Nanometer über den gold-Lösung Schnittstelle dh die Köderprotein und gegebenenfalls der Beuteprotein beeinflusst werden. Bindung macht den Reflexionswinkel Wandel;

Magnetic Plasmonresonanz

In jüngster Zeit gab es ein Interesse an der magnetischen Oberflächenplasmonen. Diese erfordern Materialien mit großer negativer magnetischer Permeabilität, eine Eigenschaft, die erst vor kurzem mit dem Bau von Metamaterialien hergestellt.

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