局域表面等离子激元共振(表面等离子体激元共振)

表面等离子共振（SPR）是一种物理现象，当入射光以临界角入射到两种不同折射率的介质界面（比如玻璃表面的金或银镀层）时，可引起金属自由电子的共振，由于共振致使电子吸收了光能量，从而使反射光在一定角度内大大减弱。其中。

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文章目录：

1. 什么是局域表面等离子体共振?
2. 局域表面等离子共振的定义
3. 金属局部表面等离子体共振与表面等离子体共振区别是什么?
4. 光学分析的表面等离子共振法
5. 表面等离子共振的原理介绍
6. 表面等离子体共振传感器:表面等离子体共振原理
7. 请教等离子共振与局域表面等离子体共振的区别和联系
8. 局域表面等离子共振的贵金属LSPR传感原理
9. 表面等离子体与等离激元的主要区别是什么?

一、什么是局域表面等离子体共振?

localized surface plasmon resonance

可以参见网址磨冲猜zhidao.baidu.com/判手question/瞎型199862283.html 和wenku.baidu.com/view/ee31392a4b73f242336c5f4b.html

（SPR）是一种物理现象，当入射光以临界角入射到两种不同的介质界面（比如玻璃表面的金或银镀层）时，可引起金属的共振，由于共振致使电子吸收了光能量，从而使反射光在一定角度内大大减弱。其中，使反郑脊射光在一定角度内完全消失的入射角称为SPR角。SPR随表面折射率的变化而变化，而折射率的变化又和结合在金属表面的生物分子质量成正比。因此可以通过获取生物反应过程中SPR角的动态变化，得到生物分子之间相互作用的特异性信号。

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金属表面等离子梁弯体振荡分为表面等离子体激元SPP和局域表面等离子体振荡LSP。

如果在介质和金属的界面上存在微细结构（微粒或微小沟槽），那么，除了SPP之外，还会存在一种局域在微细表面结构上的所谓Local SP（码渣轮LSP）。

LSP的频率除了金属和介质的材料以外，还与微细结构的尺度形状有关。

LSP和SPP的不同：

两者的色散关系不同，SPP是一种表面的传播场，而LSP是依托于某种表面结构的局域电磁场振荡，具有一系列分立的、复数的频率，是由产生LSP的表迟信面微结构的尺度形状决定的。

LSP振荡可以由合适的频率和偏振的光来激发，与激励光的波矢无关，而SPP的激发则要求激励光的频率和波矢都要和SPP匹配。

LSP和SPP可以相互转换：

在粗糙的表面，LSP和SPP的频率接近，LSP振荡可以激励SPP，SPP也可以激发LSP。（从而实现能量转换）

LSP和SPP之间能量的转换，对于SPP的激励起着重要作用。（因为LSP不要求波矢匹配，通过LSP来激发SPP效率更高）提高了表面结构对于SPP的散射作用。

二、局域表面等离子共振的定义

当光线入射到由贵金属构成的纳米颗粒上时，如果入射光子频率与贵金属纳米颗粒或金属岛传导电子的整体振动频率相匹配时，纳米颗粒或金属岛会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振(LSPR：localized Surface Plasmon Resonance))现象。

三、金属局部表面等离子体共振与表面等离子体共振区别是什么?

金属局部表面等离子体共振与表面等离子体共振区别，具体如下：\x0d\x0a金属表面迅族存在大量自由电子，而其他物体表面并不具有大量电子，当光照射到金属表面时，电子受光波作用发生集体共振，这共振就产生表面等离子波。由于连续的金属薄膜电子浓度很高，所以等离子波的振荡频率很大，在10THz左右。\x0d\x0a但是对于金属纳米颗粒，由于大量减少了电子数目，其振荡频率可降至可亩液弊见光范围。但由于金属不再连续，在共振波长增强的电场通过金属/介质界面迅速衰减，因此称为局域，简单来说即非连续造成了局域效应。\x0d\x0a提醒：\x0d\x0a表面等离子波是在平行与金属/埋高介质界面的方向上传播，而在垂直方向上是迅速衰减的，所以也可以说在垂直方向是局域的。这种情况下与纳米粒子是一样的，纳米粒子的等离子共振其实就是局域表面等离子共振。根据Mie理论，当颗粒尺寸较小时(2R<20nm)，粒子可被近似看为处于同相位均匀电场中，表现为简单的偶极子共振模式。大一点的可以看做四极子或八极子或更高阶多级子振动模式。\x0d\x0a表面等离子体子共振是一种物理光学现象。它利用光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时渗透到金属薄膜内的消失波,引发金属中的自由电子产生表面等离子体子。

四、光学分析的表面等离子共振法

表面等离子共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）是一种物理光学性质，它是一种沿着金属和电介质界面传播的电磁波。光以一定的角度入射到界面时，若在界面发生完全内反射，会产生衰减波。若衰减波在金属表面与自由电子耦合，则发生表面等离子体激元共振，光的反射率达到最小，此时的入射角称为表面共振角（SPA）。SPA对与金属表面邻近的介质的折射率的变化很敏感，金属表面邻近介质的折射率不同，SPA就会不同，即使是同种材料的电介质，SPA也会因为电介质在金属表面的量的不同而变化。ssDNA探针在金属表面的固定以及靶序列与探针序列的杂交都会引起金属表面邻近的电介质改变。因此，SPR可用于基因检测。由于表面等离子共振技术可用来测量金属薄膜表面的待测物浓度变化，样品无需预先进行任何标记等前处理，故可用于即时（real-time）分析。

被分析物溶液流过固定有“‘受体’的传感片表面，若发生作用而相互结合则会引起表面物质质量改变，而折射率与质量成正比，所以折射率改变，欲保证SPR发生，共振角也得随折射率改变，改变大小与结合的被分析物质量成正比。因此通过分析共振角，就可以分析分子之间的相互作用。Jordan等利用多层链亲和素/DNA系统放大了核酸杂交的SPR信号。利用RNaseH酶选择性地破坏RNA/DNA双螺旋中的RNA这一特性，Terry等[25]对DNA进行SPR成像检测，将灵敏度放大到1fmol/L。另外，利用纳米金粒子对表面激元共振的增强作用，可以使金标后的DNA检测灵敏度提高1000倍.SPR基因检测的突出优点是可以进行无标记的DNA杂交反应的检测，可以进行原位和实时的在线检测。SPR检测发展。方向一是检测仪器的微型化、集成化，比如TI公司研制的一种TISPR-1型传感器，就是典型的例子；另一方向是SPR的成像研究，为DNA杂交乃至生物反应、分子动力学的研究和测试提供了新的手段。 光学分析可分为非光谱法及光谱法两大类。

非光谱法（或称一般光学分析法） 检测被测物质的某种物理光学性质，进行定量、定性分析的方法。如折射法、旋光法、园二色散法及浊度法等。

光谱法---利用物质的光谱特征，进行定性、定量及结构分析的方法称为光谱法或光谱分析法。按物质能级跃迁的方向，可分为吸收光谱法（如紫外-可见分光光度法、红外分光光度法、原子吸收分光光度法、核磁共振波谱法等）及发射光谱法（如原子发射光谱及荧光分光光度法等）。按年能级跃迁类型，可分为电子光谱、振动光谱及转动光谱等类别。按发射或吸收辐射线的波长顺序，分为Y射线、X射线、紫外线、可见及红外光谱法、微波谱法以及电子自旋共振波谱法、核磁共振波谱法等。按被测物质对辐射吸收的检测方法的差别（在明背景下检测吸收暗线或是在暗背景下检测共振明线）可分为吸收光谱法与共振波谱法两类。按被测物质粒子的类型，可分为原子光谱、分子光谱及核磁共振波谱等。

光学分析方法（optical method of analysis ）---利用物质的光学性质进行化学分析的方法。分3种类型：（1）基于发射原理的有发射光谱化学分析、火焰光度分析、荧光X射线光谱分析、荧光分析、原子荧光谱分析等；（2）基于吸收原理的有比色分析、比浊分析、红外线吸收光谱分析、原子吸收光谱分析等；（3）基于其他原理的还有X射线衍射分析、电子显微镜分析以及偏光分析等。

五、表面等离子共振的原理介绍

我们在前面提到光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。当两波相遇时可能会发生共振。当消逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少。

可以从左侧的反射光强响应曲线看到一个最小的尖峰，此时对应的入射光波长为共振波长，对应的入射角θ为SPR角。电子吸收光能量，从而使反射光强在一定角度时大大减弱，其中是反射光完全消失的角就是SPR角。毁陵芹SPR角随金表面折射率变化而变化，而折射率的变化又与金表面结合的分子质量成正比。因此可以通过对生物反应过程中SPR角的动态变化获取生物分子之间相互作用的特异信号。

表面等离子共振（SPR）是一种光学现象，可被用来实时跟踪在天然状态下生物分子间的相互作用。这种方法对生物分子无任何损伤，且不需任何标记物。

先将一种生物分子（靶分子）键合汪念在生物传感器表面，再将含有另一种能与靶分子产生相互作用的生物分子（分析物）的溶液注入并流经生物传感器表面。生物分子间的结合引纤毕起生物传感器表面质量的增加，导致折射指数按同样的比例增强，生物分子间反应的变化即被观察到。这种反应用反应单位（RU）来衡量：1

RU

=

1pg

蛋白/mm2

=

1

x

10-6

RIU（折射指数单位）。

分析物在被注入的过程中，由对流和扩散流经相互作用表面而与靶分子形成复合物，导致分析物浓度改变。微射流系统内nL数量级流动通道的应用，使得这种浓度的改变降至最低点，以确保高传质系数（Mass

Transport

Coefficient，km）。为保证分析物的传质性不被限制，键合在生物传感器表面的靶分子浓度必须较低。当分析物被注入时，分析物-靶分子复合物在生物传感器表面形成，导致反应增强。而当分析物被注入完毕后，分析物-靶分子复合物解离，导致反应减弱。通过结合式相互作用模型拟合这种反应曲线，动力学常数便可被确定。而非特异性结合和总折射指数移相等效应则可通过参照曲线减除功能予以驱除。

表面等离子共振已经在商业化的检测仪器中应用。目前最广泛使用的是Biacore

Life

Sciences公司生产的Biacore系列。Biacore

Life

Sciences现已被General

Electric收购。其它表面等离子共振的商业仪器还有例如ICx的SensiQ等。

SensiQ的SPR生物传感器运用了Texas

Instruments公司研发的光学传感器设计，以及Kretschmann

SPR几何学构建，灵敏度高，光学静稳。生物传感器一次性使用，其羧基化表面适合于多种优化键合方案。生物传感器的安装快捷，几秒钟便可完成，使用也非常简便。功能化的生物传感器即便在储存一段时间后仍可继续使用。

SensiQ的双通道nL数量级的流动池设计，利于实时的参照曲线减除，并保证分析物在生物传感器的相互作用表面具有高传质性（Mass

Transport）。

六、表面等离子体共振传感器:表面等离子体共振原理

　　Jiri Homola 　　Surface Plasmon Resonance 　　Based Sensors 　　2006, 251pp. 　　Hardcover

　　ISBN 9783540339182

　　霍莫拉著

　　本书是《斯普林格化学传感器和生物传感器》系列专著中的一部。表面等离子体共振(SPR)传感器是一种通过对表面等离子波的共振角测量计算样品折射率(浓度)的传感器,是实现微量生物和化学活性物质定量测定的重要技术之一。在过去20年里,表面等离子体共振传感器吸引了研究者的极大关注。本书试图对表面等离子体共振传感器这一领域进行广泛而深入的介绍,包括表面等离子体及其激发的理论、表面等离子体共振仪及传感器表面的详细介绍、研究方法与数据分析以及应用介绍。

　　本书分为三部分。第一部分向读者介绍了表面等离子体共振技术的基本理论,含第1.3章。1.在平面波导上的表面等离子体的电磁理论;2.表面等离子体共振传感器的原理以及影响其性能的关键因素;3.传感器表面分子间作用的模型以及动力学分析中质量传输的影响。第二部分介绍了表面等离子体共振传感器的发展现状以及功能化方法,包括第4.5章。4.表面等离子体共振仪的原理,包括棱镜与光栅的耦合、波长调制、强度调制方法、光波导与光纤传感器等;5.表面等离子体共振传感器表面分子的固定等。第三部分讨论了表面等离子体生物传感器在研究分子及其相互作用方面的应用,以及表面等离子体共振传感器在检测化学或生物分析物中的应用,涉及环境监测、食品安全、医疗诊断等各个领域。

　　本书作者霍莫拉副教授,1993年于捷克共和国科学院取得博士学位,现供职于捷克共和国科学院光电子研究所,任光电子部主任及光学传感器系主任。霍莫拉副教授长期从事表面等离子体共振技术的研究,是享有世界声誉的该领域的专家,多次任SPIE光学与光电子会议的光学传感器分会主席。

　　张文涛,

　　助理研究员

　　(中国科学院半导体研究所)

　　Zhang wentao,Assistant Professor

　　(Institute of Semiconductors,CAS)

七、请教等离子共振与局域表面等离子体共振的区别和联系

（1）金属块状体内等离子体的产生及振荡；（2）金属薄膜中表面等离子体子的产生及特性迅棚；(3)电磁波在金属薄膜中的传播；（4）电磁波与金属薄膜表面等离子体子的共振；（5）表面等离子体子共振光谱的特性及影响因素。从而,较为系统地论述了表面等离子体子共振传感器的理论基础。

表面等离子体子共振是一种物理光学现象。它利用光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时渗透到金属薄膜内的消失波,引发金属中的自由电子产生表面等离子体子,在入射角或波长为某一适当值的条件下,表面等离子体子与消失波的频率与波数相等,二者将发生共振,入射光被吸收,使反射光能量急剧下降,在反射光谱上出现反射强度最低值,此即为共振峰。紧靠在金属薄膜表面的介没槐质折射率不同时,共振峰位置（共振角或共振波长）将不同,据此,可对待测物进行分析。在对国内外研究现状进行了深入调查和研究的基础上,本文设计并组装了新型多波长同时检测表面等离子体子共枯昌友振传感装置,在第3章中详细描述了这一装置的设计路线和组装方法。迄今,已有的SPR仪器和装置其工作原理大都是以入射角做为变量,实验过程中测量反射光强度与入射角的关系,通过共振角的变化研究体系的各种性质。改变角度的方式有2种,最常用的一种是角度扫描,设置一个机械转动盘,整套装置除光源外均置于其上,然后使机械转盘以一定的速度转动,保证角度扫描过程中,单位变化值尽量小。这种装置有一个可动部件,且角度扫描过程所用的时间,在一定程度上影响了实时监测反应动态过程的进行,即实际上将会有一个时间延迟。改变角度的另一种测量方式较巧妙,无可动部件,且可以多角度同时测量,例如BIAcore的工作原理,利用点光源的发散作用,在检测器阵列中得到不同角度的反射光强度值,但此种方式可测量的角度范围较小。

八、局域表面等离子共振的贵金属LSPR传感原理

金、 银、铂等贵金属纳米粒子在紫外可见光波段展现出很强的光谱吸收，从而可以获得局域表面等离子体共振光谱。该吸收光谱峰值处的吸收波长取决于该材料的微观结构特性，例如组成、 形状、结构、尺寸、 局域传导率。因此，获得局域表面等离子体共振光谱,并对其进行分析，就可以研究纳米粒子的微观组成。同时，LSPR吸收谱还对周围介质极其敏感，因此可以作为基于光学信号的化学传感器和生物传感器。

九、表面等离子体与等离激元的主要区别是什么?

主要区别是，性质不同、特性不同、应用不同，具体如下：

一、性质不同

1、表面等离子体

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。

2、表面等离激元

表面等离激元（Surface Plasmon, SP）是在金属表面区域的一种自由电子和光子相互作用的形成的电磁振荡。

二、特性不同

1、表面等离子体

①、其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波，且在金属场中分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长量级相同。

②、在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。

③、表面等离子体波的色桐知伍散曲线处在光线的右侧，在相同频率的情况下，其波矢量比光波矢量要大。

2、表面等离激元

①、在垂直于界面的方向场强呈指数衰减。

②、 能够突破衍射极限。

③、 具有很强的局域场增强效应。

④、只能发生在介电参数(实部)符号相反(即金属和介质)的界面两猛谨侧。

三、应用不同

1、表面等离子体

①、表面等离子体波是在两种界面附近存在的波，界面两侧的折射率分布对场分布有很大的影响，利用这一点能够进行传感。这种传感技术结构简单，灵敏度高，检测过程中无需标记物，可实时监测样品结合过程。该技术可用于气体、 液体和有机薄膜等分析，主要用于生命科学和化学领域。

②、表面等离子体波具有局域分布的特性，而且其分布深度可小于波长量级，突破衍射极限，使得表面等离子体波能够应用于制作亚波长量级的光电子器件的生产，有利用光电子集成器件的制作。由于能够突破极限，所以能够应用表面等离子体效应来做近场显微镜，做曝光等等。

③、表面等离子体波在太阳能电池和LED等新型能源相关器件方面的应用。利用表面等离子体效应可以提高太阳能电池的光电转换效率，同样也可以在LED上。

2、表面等离激元

随着表面等离激元理论研究的深入以及各种结构的器件的成功制作，其在光学各领域应用具有巨大的潜力，尤其在解决了一些以往局或光学长期不能解决的问题，其中包括金属亚波长结构的增透效应在超分辨率纳米光刻、高密度数据存储、近场光学等领域的应用。

参考资料来源：

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