Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
от используемых флуоресцентных красителей) [45].
33.2.3. Поверхностный плазменный резонанс
Поверхностный плазмонный резонанс (ППР), называемый также осцилляциями
поверхностных плазмонов, имеет вполне разработанную концепцию; в течение
ряда лет этот метод изучали и теоретически, и экспериментально. Детальный
обзор работ по методу осцилляций поверхностных плазмонов приведен в [41,
42]. Однако для химии и биологии это новый метод.
Поверхностные плазмоны существуют на границе твердого тела (металла или
полупроводника), электроны которого ведут себя так, как квазиидеальный
электронный газ. Плазмоны представляют собой квантовые осцилляции
поверхностных зарядов, вызываемые на границе раздела внешним
электрическим полем. Эти осцилляции связаны с высокочастотными
электромагнитными полями, распространяющимися в пространстве вокруг
твердого тела. Поверхностные плазмоны могут возбуждаться электронными
пучками или светом. Различают два типа поверхностных плазмонов:
излучательные и неизлучательные. Для сенсорных приложений наибольший
интерес представляют неизлучательные плазмоны, возбуждаемые светом. Такие
плазмоны характеризуются экспоненциальным убыванием электрического поля с
расстоянием от границы. Неизлучательные поверхностные плазмоны не
возбуждаются "непосредственно" освещением (т.е. светом, отраженным
поверхностью металла), так как импульс падающих на поверхность фотонов
слишком мал. Наиболее пригодный для сенсорных приложений метод
заключается в возбуждении плазмонов затухающими волнами. При этом
используют такой же измерительный оптический элемент, как в НПВО, или
конструкцию с призмой (рис. 33.3)-призму Кречмана [22]. Сходство данного
метода с НПВО видно уже из рис. 33.3. Как в случае обычного ЭВО, основой
призмы Кречмана является стеклянная призма с показателем преломления п1.
Свет падает на основание призмы под углом 0. Исследуемая область над
основанием призмы имеет показатель преломления пъ > их. Особенностью
метода ППР является наличие слоя металла между призмой и исследуемым
образцом. Если падающий свет является плоскополяризованным и угол падения
0 таков, что импульс движения фотона вдоль поверхности совпадает с
импульсом плазмона, то свет может сопрягаться с электронной плазмой в
металле. В этом и состоит явление поверхностного плазмон-ного резонанса.
Оно проявляется как резкое падение суммарной интенсивности отраженного
света, измеряемой в виде зависимости пропускания от угла падения. Глубина
и ширина этого резонансного минимума определяется коэффициентом
поглощения и толщиной металлической пленки. Для данного металла можно
подобрать такую толщину пленки, что интенсивность отраженного света в
минимуме будет близка к нулю (для серебра, например, эта толщина
составляет ~ 60 нм). Изменение длины волны падающего света может
приводить к смещению положения и ширины минимума.
524
Глава 33
Обросзец
Рис. 33.3. Возбуждение излуча-телъных плазмонов методом НПВО в призме
Кречмана [22]: в-угол падения света; nlt п2 и п3-показатели преломления
призмы, слоя металла и исследуемого образца соответственно.
На рис. 33.4 показано пространственное распределение плотности энергии
\Н\2 при трех различных углах падения света и толщине слоя серебра 60 нм.
При угле 0О = 50° система выходит за область резонанса, энергия поля
плазмы экспоненциально падает с расстоянием. Угол 0О = 45,4" близок к
резонансному, и энергия поля сначала падает, а затем возрастает, достигая
наибольшего значения на границе. Угол 0О = 45,2° является резонансным;
плотность энергии поля на границе достигает максимального значения,
которое примерно в восемь раз выше, чем в отсутствие резонанса. Таким
образом, при резонансе поле проникает в металл (из воздуха на рис. 33.4)
на ту же глубину, но будучи усилено в восемь раз по сравнению с НПВО без
металлической пленки. В этом одна из причин высокой чувствительности
метода ППР. Другой причиной является то. что п /ложение угла резонансного
минимума очень чувствительно к колебаниям показателя преломления среды
вне металлической пленки. Например, при использовании серебряной пленки и
гелий-неонового источника света замена воздуха (п = 1,0) водой (п = 1,33)
приводит к сдвигу резонансного угла от 43° до 68° [27]. Поскольку
электрическое поле зондирует среду только на расстояниях до нескольких
сотен нанометров от поверхности металла, резонанс очень чувствителен к
наличию тонких пленок на этой поверхности. Этот эффект, очевидно, можно
использовать в сенсорах.
В качестве примера на рис. 33.5 показана зависимость резонансного
минимума от
то
600А
ЮО 300 500 А
х
Рис. 33.4. Рассчитанная напряженность электромаг-о нитного поля \Н(х)\2 в
слое серебра толщиной 600 А (среда: слева-стекло, справа-воздух) в
зависимости от угла падения света фиксированной длины волны А = 6000 А (с
разрешения автора [42]).
Спектроскопия внутреннего отражения
525
Внутренний, угол падения, град
0 13 6 12 Число слоев арахидата
