Powierzchniowy rezonans plazmonowy

Powierzchniowy rezonans plazmonowy (SPR)

Powierzchniowy rezonans plazmonowy ( SPR ) to zjawisko, które występuje, gdy elektrony w cienkiej blasze są wzbudzane przez światło skierowane na blachę pod określonym kątem padania, a następnie przemieszczają się równolegle do blachy. Zakładając stałą długość fali źródła światła i cienką blachę, kąt padania wyzwalający SPR jest powiązany ze współczynnikiem załamania światła materiału i nawet niewielka zmiana współczynnika załamania światła spowoduje, że SPR nie zostanie zaobserwowany. To sprawia, że ​​SPR jest możliwą techniką wykrywania określonych substancji ( analitów ) i biosensory SPR zostały opracowane w celu wykrywania różnych ważnych biomarkerów

Wyjaśnienie

Powierzchniowy polaryton plazmonowy to niepromienista elektromagnetyczna fala powierzchniowa , która rozchodzi się w kierunku równoległym do granicy ujemnej przenikalności elektrycznej/materiału dielektrycznego. Ponieważ fala znajduje się na granicy przewodnika i ośrodka zewnętrznego (na przykład powietrza, wody lub próżni), oscylacje te są bardzo wrażliwe na wszelkie zmiany tej granicy, takie jak adsorpcja cząsteczek na powierzchni przewodzącej.

Aby opisać istnienie i właściwości powierzchniowych polarytonów plazmonowych, można wybierać spośród różnych modeli (teoria kwantowa, model Drude'a itp.). Najprostszym sposobem podejścia do problemu jest potraktowanie każdego materiału jako jednorodnego kontinuum, opisanego przez zależną od częstotliwości przenikalność względną między ośrodkiem zewnętrznym a powierzchnią. Wielkość ta, zwana dalej „ funkcją dielektryczną ” materiałów , jest zespoloną przenikalnością elektryczną . Aby znaleźć terminy opisujące elektronowy plazmon powierzchniowy aby istnieć, rzeczywista część stałej dielektrycznej przewodnika musi być ujemna, a jej wielkość musi być większa niż dielektryka. Warunek ten jest spełniony w zakresie długości fal widzialnych w podczerwieni dla interfejsów powietrze/metal i woda/metal (gdzie rzeczywista stała dielektryczna metalu jest ujemna, a powietrza lub wody dodatnia).

LSPR ( zlokalizowane powierzchniowe rezonanse plazmonowe) to kolektywne oscylacje ładunku elektronowego w nanocząstkach metalicznych, które są wzbudzane przez światło. Wykazują zwiększoną amplitudę pola bliskiego przy długości fali rezonansowej. Pole to jest silnie zlokalizowane w nanocząstce i szybko zanika z dala od granicy faz nanocząstka/dielektryk do tła dielektrycznego, chociaż rozpraszanie pola dalekiego przez cząstkę jest również wzmacniane przez rezonans. Wzmocnienie natężenia światła jest bardzo ważnym aspektem LSPR, a lokalizacja oznacza, że ​​LSPR ma bardzo wysoką rozdzielczość przestrzenną (podfale), ograniczoną jedynie rozmiarem nanocząstek. Ze względu na zwiększoną amplitudę pola efekty zależne od amplitudy, takie jak efekt magnetooptyczny, są również wzmacniane przez LSPR.

Implementacje

Konfiguracja Otta

Konfiguracja Kretschmanna

Aby rezonansowo wzbudzić polarytony plazmonów powierzchniowych, można zastosować bombardowanie elektronami lub padającą wiązkę światła (typowe jest światło widzialne i podczerwone). Nadchodząca wiązka musi dopasować swój pęd do pędu plazmonu. W przypadku spolaryzowanego p (polaryzacja zachodzi równolegle do płaszczyzny padania) jest to możliwe poprzez przepuszczanie światła przez blok szkła w celu zwiększenia liczby falowej ( i pędu ) oraz uzyskania rezonansu przy danej długości fali i kąt. S-spolaryzowane światło (polaryzacja zachodzi prostopadle do płaszczyzny padania) nie może wzbudzać elektronowych plazmonów powierzchniowych. Elektronowe i magnetyczne plazmony powierzchniowe podlegają następującej zależności dyspersyjnej :

${\ Displaystyle k (\ omega) = {\ Frac {\ omega}} {c}} {\ sqrt {\ Frac {\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}\mu _{1}\mu _{2}}{\varepsilon _{1}\mu _{1}+\varepsilon _{2}\mu _{ 2}}}}}$

gdzie k ( $falowym ,$ jest wektorem jest względną przenikalnością $elektryczną , a$$przepuszczalnością$ materiału (1: blok szklany $to$ : folia metalowa), podczas gdy $to$ kątowa, a prędkość światła w próżni.

Typowymi metalami wspierającymi plazmony powierzchniowe są srebro i złoto, ale stosowano również metale takie jak miedź, tytan lub chrom.

Podczas używania światła do wzbudzania fal SP istnieją dwie dobrze znane konfiguracje. W konfiguracji Otto światło oświetla ścianę szklanego bloku, zwykle pryzmatu, i jest całkowicie odbijane od wewnątrz . Cienka warstwa metalu (na przykład złota) jest umieszczona wystarczająco blisko ściany pryzmatu, aby zanikająca fala mogła oddziaływać z falami plazmy na powierzchni, a tym samym wzbudzać plazmony.

W konfiguracji Kretschmanna (znanej również jako konfiguracja Kretschmanna-Raethera ) warstwa metalu jest odparowywana na pustaku szklanym. Światło ponownie oświetla szklany blok, a zanikająca fala przenika przez warstwę metalu. Plazmony są wzbudzane po zewnętrznej stronie błony. Ta konfiguracja jest używana w większości praktycznych zastosowań.

Emisja SPR

Kiedy powierzchniowa fala plazmonowa oddziałuje z lokalną cząstką lub nieregularnością, taką jak chropowata powierzchnia , część energii może zostać ponownie wyemitowana w postaci światła. To emitowane światło można wykryć za metalową warstwą z różnych kierunków.

Implementacje analityczne

Powierzchniowy rezonans plazmonowy można zastosować w oprzyrządowaniu analitycznym. Instrumenty SPR składają się ze źródła światła, schematu wejściowego, pryzmatu z interfejsem analitu, detektora i komputera.

Detektory

Detektory stosowane w powierzchniowym rezonansie plazmonowym przetwarzają fotony światła odbitego od metalicznej warstwy na sygnał elektryczny. Detektor wykrywający położenie (PSD) lub urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) może działać jako detektory.

Aplikacje

Schemat czujnika wykorzystującego powierzchniowy rezonans plazmonowy

Plazmony powierzchniowe zostały wykorzystane do zwiększenia czułości powierzchniowej kilku pomiarów spektroskopowych, w tym fluorescencji , rozpraszania Ramana i generowania drugiej harmonicznej . Jednak w najprostszej postaci pomiary współczynnika odbicia SPR można wykorzystać do wykrywania adsorpcji molekularnej, takiej jak polimery, DNA lub białka itp. Technicznie często mierzy się kąt minimalnego odbicia (kąt maksymalnej absorpcji). Kąt ten zmienia się rzędu 0,1° podczas adsorpcji cienkiej warstwy (o grubości około nm). (Zobacz także przykłady.) W innych przypadkach obserwuje się zmiany długości fali absorpcji. Mechanizm detekcji polega na tym, że cząsteczki adsorbujące powodują zmiany lokalnego współczynnika załamania, zmieniając warunki rezonansowe powierzchniowych fal plazmonowych. Ta sama zasada jest wykorzystywana w niedawno opracowanej konkurencyjnej platformie opartej na bezstratnych wielowarstwowych dielektrycznych ( DBR ), wspierające powierzchniowe fale elektromagnetyczne o ostrzejszych rezonansach ( fale powierzchniowe Blocha ).

Jeśli powierzchnia jest ozdobiona różnymi biopolimerami, przy użyciu odpowiedniej optyki i czujników obrazujących (np. kamery), technikę można rozszerzyć na obrazowanie metodą powierzchniowego rezonansu plazmonowego (SPRI). Ta metoda zapewnia wysoki kontrast obrazów oparty na zaadsorbowanej ilości cząsteczek, nieco podobny do pod kątem Brewstera (ta ostatnia jest najczęściej używana razem z korytem Langmuira-Blodgetta ).

W przypadku nanocząstek zlokalizowane oscylacje plazmonów powierzchniowych mogą powodować intensywne kolory zawiesin lub zoli zawierających nanocząstki . Nanocząstki lub nanodruty metali szlachetnych wykazują silne pasma absorpcji w zakresie ultrafioletu – światła widzialnego reżimu, które nie są obecne w metalu masowym. Ten niezwykły wzrost absorpcji wykorzystano do zwiększenia absorpcji światła w ogniwach fotowoltaicznych poprzez osadzanie nanocząstek metalu na powierzchni ogniwa. Energia (kolor) tej absorpcji jest różna, gdy światło jest spolaryzowane wzdłuż lub prostopadle do nanoprzewodu. Przesunięcia tego rezonansu spowodowane zmianami lokalnego współczynnika załamania po adsorpcji na nanocząstkach można również wykorzystać do wykrywania biopolimerów, takich jak DNA lub białka. Powiązane techniki uzupełniające obejmują rezonans falowodu plazmonowego, QCM , nadzwyczajną transmisję optyczną i interferometria dwupolaryzacyjna .

Test immunologiczny SPR

Pierwszy test immunologiczny SPR został zaproponowany w 1983 roku przez Liedberga, Nylandera i Lundströma, wówczas z Linköping Institute of Technology (Szwecja). Zaadsorbowali ludzką IgG na srebrnym filmie o średnicy 600 ngstremów i wykorzystali test do wykrycia anty-ludzkiej IgG w roztworze wodnym. W przeciwieństwie do wielu innych testów immunologicznych, takich jak ELISA , test immunologiczny SPR jest wolny od znaczników , ponieważ cząsteczka znacznika nie jest wymagana do wykrycia analitu. Dodatkowo pomiary SPR można śledzić w czasie rzeczywistym, co pozwala na monitorowanie poszczególnych etapów kolejnych zdarzeń wiązania, co jest szczególnie przydatne w ocenie na przykład kompleksów kanapkowych.

Charakterystyka materiału

Wieloparametryczny powierzchniowy rezonans plazmonowy , specjalna konfiguracja SPR, może być wykorzystany do scharakteryzowania warstw i stosów warstw. Oprócz kinetyki wiązania, MP-SPR może również dostarczyć informacji o zmianach strukturalnych pod względem rzeczywistej grubości warstwy i współczynnika załamania światła. MP-SPR został z powodzeniem zastosowany w pomiarach ukierunkowania i pękania lipidów, pojedynczej monowarstwy grafenu (3,7 Å) osadzonej za pomocą CVD, a także polimerów o grubości mikrometra.

Interpretacja danych

Najpowszechniejsza interpretacja danych opiera się na wzorach Fresnela , które traktują utworzone cienkie warstwy jako nieskończone, ciągłe warstwy dielektryczne. Ta interpretacja może skutkować wieloma możliwymi współczynnika załamania światła i grubości. Jednak zwykle tylko jedno rozwiązanie mieści się w rozsądnym zakresie danych. W wieloparametrycznym powierzchniowym rezonansie plazmonowym dwie krzywe SPR są uzyskiwane poprzez skanowanie zakresu kątów przy dwóch różnych długościach fal, co daje unikalne rozwiązanie zarówno pod względem grubości, jak i współczynnika załamania światła.

Plazmony cząstek metali są zwykle modelowane przy użyciu teorii rozpraszania Mie .

W wielu przypadkach nie stosuje się żadnych szczegółowych modeli, ale czujniki są kalibrowane dla konkretnego zastosowania i używane z interpolacją w obrębie krzywej kalibracji.

Nowe aplikacje

Ze względu na wszechstronność oprzyrządowania SPR technika ta dobrze łączy się z innymi podejściami, prowadząc do nowatorskich zastosowań w różnych dziedzinach, takich jak badania biomedyczne i środowiskowe.

W połączeniu z nanotechnologią bioczujniki SPR mogą wykorzystywać nanocząsteczki jako nośniki dla implantów terapeutycznych. Na przykład w leczeniu choroby Alzheimera nanocząsteczki mogą być wykorzystywane do dostarczania cząsteczek terapeutycznych w ukierunkowany sposób. Ogólnie rzecz biorąc, bioczujniki SPR wykazują przewagę nad innymi podejściami w dziedzinie biomedycyny, ponieważ ta technika jest pozbawiona etykiet, tańsza, ma zastosowanie w placówkach opieki i umożliwia szybsze uzyskiwanie wyników dla mniejszych kohort badawczych.

W badaniu zanieczyszczeń środowiska oprzyrządowanie SPR może zastąpić dawne techniki oparte na chromatografii. Obecne badania nad zanieczyszczeniami opierają się na chromatografii w celu monitorowania wzrostu zanieczyszczenia w ekosystemie w czasie. Kiedy oprzyrządowanie SPR z konfiguracją pryzmatów Kretschmanna zostało użyte do wykrywania chlorofenu, pojawiającego się zanieczyszczenia, wykazano, że SPR ma podobny poziom precyzji i dokładności jak techniki chromatograficzne. Co więcej, wykrywanie SPR przewyższa techniki chromatograficzne dzięki szybkiej, prostej analizie.

Przykłady

Samoorganizacja warstwa po warstwie

Krzywe SPR zmierzone podczas adsorpcji samoorganizującej się warstwy polielektrolitu , a następnie minerału ilastego na cienkim (ok. 38 nanometrów) złotym czujniku.

Jednym z pierwszych powszechnych zastosowań spektroskopii powierzchniowego rezonansu plazmonowego był pomiar grubości (i współczynnika załamania) zaadsorbowanych samoorganizujących się nanofilmów na podłożach ze złota. Krzywe rezonansowe przesuwają się do wyższych kątów wraz ze wzrostem grubości zaadsorbowanej warstwy. Ten przykład to pomiar „statycznego SPR”.

Gdy pożądana jest obserwacja z większą prędkością, można wybrać kąt tuż pod punktem rezonansu (kąt minimalnego odbicia) i zmierzyć zmiany współczynnika odbicia w tym punkcie. Jest to tak zwany pomiar „dynamicznego SPR”. Interpretacja danych zakłada, że ​​struktura filmu nie zmienia się istotnie podczas pomiaru.

Wiążąca stała determinacja

Sygnał asocjacji i dysocjacji

Przykład wyjścia z Biacore

trzeba określić powinowactwo dwóch ligandów , należy określić stałą równowagi dysocjacji . Jest to wartość równowagi dla ilorazu produktu. Wartość tę można również znaleźć za pomocą dynamicznych parametrów SPR i jak w każdej reakcji chemicznej jest to szybkość dysocjacji podzielona przez szybkość asocjacji.

W tym celu ligand przynęty jest immobilizowany na powierzchni dekstranu kryształu SPR. Za pomocą mikroprzepływu roztwór z analitem zdobyczy jest wstrzykiwany na warstwę przynęty. Gdy analit zdobyczy wiąże ligand przynęty, obserwuje się wzrost sygnału SPR (wyrażonego w jednostkach odpowiedzi, RU). Po pożądanym czasie asocjacji roztwór bez analitu ofiary (zwykle buforu) wstrzykuje się do układu mikroprzepływowego, który dysocjuje związany kompleks między ligandem przynęty a analitem ofiary. Teraz, gdy analit ofiary dysocjuje od ligandu przynęty, obserwuje się spadek sygnału SPR (wyrażonego w jednostkach rezonansu, RU). Z tych stowarzyszeń („na stawkę”, ka _{) i} ) . _szybkości dysocjacji („szybkość dysocjacji”, kd ), _KD można obliczyć równowagową stałą dysocjacji („stała wiązania”,

Rzeczywisty sygnał SPR można wytłumaczyć elektromagnetycznym „sprzężeniem” padającego światła z plazmonem powierzchniowym warstwy złota. Na ten plazmon może wpływać warstwa o grubości zaledwie kilku nanometrów na granicy faz złoto-roztwór, tj. białko przynęty i prawdopodobnie białko ofiary. Wiązanie powoduje zmianę kąta odbicia;

${\ Displaystyle K _ {\ rm {D}} = {\ Frac {k _ {\ tekst {d}}} {k _ {\ tekst {a}}}}}$

Analiza termodynamiczna

Ponieważ biosensory SPR ułatwiają pomiary w różnych temperaturach, można przeprowadzić analizę termodynamiczną w celu lepszego zrozumienia badanej interakcji. Wykonując pomiary w różnych temperaturach, zwykle między 4 a 40 ° C, możliwe jest powiązanie stałych szybkości asocjacji i dysocjacji z energią aktywacji, a tym samym uzyskanie parametrów termodynamicznych, w tym entalpii wiązania, entropii wiązania, energii swobodnej Gibbsa i pojemności cieplnej.

Mapowanie epitopów parami

Ponieważ SPR umożliwia monitorowanie w czasie rzeczywistym, poszczególne etapy kolejnych zdarzeń wiązania można dokładnie ocenić, badając przydatność między przeciwciałami w konfiguracji kanapkowej. Dodatkowo umożliwia mapowanie epitopów, ponieważ przeciwciała nakładających się epitopów będą powiązane z osłabionym sygnałem w porównaniu z przeciwciałami zdolnymi do interakcji jednocześnie.

Magnetyczny rezonans plazmonowy

Ostatnio wzrosło zainteresowanie magnetycznymi plazmonami powierzchniowymi. Wymagają one materiałów o dużej ujemnej przenikalności magnetycznej, właściwości, która została udostępniona dopiero niedawno wraz z budową metamateriałów .

Zobacz też

• Czujnik wodoru
• Wieloparametryczny powierzchniowy rezonans plazmonowy
• Nanooptyka
• plazmon
• spinplazmonika
• Powierzchniowy polaryton plazmonowy
• Fale w plazmie
• Zlokalizowany plazmon powierzchniowy
• Mikrowaga z kryształu kwarcu

Dalsza lektura

• Wybór artykułów do pobrania za darmo na temat plazmoniki w New Journal of Physics
•   Raether H. (1988). „Plazmony powierzchniowe na powierzchniach gładkich i chropowatych oraz na siatkach”. Traktaty Springera we współczesnej fizyce . 111 . Bibcode : 1988STMP..111.....R . doi : 10.1007/BFb0048317 . ISBN 978-3-540-17363-2 .
•   Maier S (2007). Plazmonika: podstawy i zastosowania . Skoczek. ISBN 978-0-387-33150-8 .
•   Schasfoort RB, Tudos AJ, wyd. (2008). Podręcznik powierzchniowego rezonansu plazmonowego . wydawnictwo RSC. ISBN 978-0-85404-267-8 .