微纳光学与SPR技术-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN微纳光学与SPR技术SC12009006 王启蒙摘要：表面等离子体共振（Surface plasmon resonance, SPR），又 称表面等离子体子共振，表面等离激元共振，是一种物理光学现 象，有关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生物学研究的重 要工具1 SPR简介SPR是一种物理光学现象当一束平面单色偏振光在一定的角度范 围内照射到镀在玻璃表面的金属银或金的薄膜上发生全反射时，当 入射光的波向量与金属膜内表面电子（称为等离子体）的振荡频率 相匹配时，光线既被耦和进入金属膜，引起电子发生共振，即表面 等离子体共振在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成所谓费米电子气价电 子可在晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶格位置上，但总的电 子密度和离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性的人们把 这种情况形象地称为“金属离子浸没于电子的海洋中”这种情况和 气体放电中的等离子体相似，因此可以把金属看作是一种电荷密度 很高的低温（室温）等离子体，而气体放电中的等离子体是一种高 温等离子体，电荷密度比金属中的低。
此时光线提供的能量导致金 属膜表面电子发生共振，电子吸收该能量使被反射光的强度达到最 小，这种最小化发生时的入射光角度称为SPR角SPR角是随金属表 面的折射率的变化而变化，这一变化又和金属表面结合的生物分子 的质量成正比[1]五十年代，为了解快速电子穿过金属箔时的能量损失，人们进行 了大量的实验和理论工作Pine和Bohm认为，其中能量损失的部 分原因是激发了金属箔中电子的等离子体振动(Plasmaoscillation)，又称为等离子体子(plasmon)Ritchie从理论上探讨 了无限大纯净金属箔中由于等离子体振动而导致的电子能量损失， 同时也考虑了有限大金属箔的情况，指出：不仅等离子体内部存在 角频率为3P的等离子体振动，而且在等离子体和真空的界面，还 存在表面等离子体振动(Surface plasma oscillation)Powell 和 Swan 用高能电子发射法测定了金属铝的特征电子能量损失，其实验 结果可用 Ritchie 的理论来解释 [2]Stern 和 Ferrell 将表面等离子体振 动的量子称为表面等离子体子(Surface plasmon)，研究了金属表 面有覆盖物时的表面等离子体振动，发现金属表面很薄的氧化物层 也会引起这种振动的明显改变。
他们还预言：由于表面等离子体振 动对表面涂层的敏感，那么通过选择合适的涂层，表面特征能量损 失的值会在一定范围内发生变化除电子以外，用电磁波，如光波，也能激发表面等离子体振动 二十世纪初，Wood首次描述了衍射光栅的反常衍射现象，这实际 上就是由于光波激发了表面等离子体振动所致 [3]六十年代晚期， Kretschmann 和 Otto 采用棱镜耦合的全内反射方法，实现了用光波 激发表面等离子体振动，为SPR技术的应用起了巨大的推动作用他们的实验方法简单而巧妙，仍然是目前 SPR 装置上应用最为广泛 的技术2 SPR传感器表面等离子体子共振的产生与入射光的角度e、波长?、金属薄膜 的介电常数?s及电介质的折射率ns有关，发生共振时e和?分别称 为共振角度和共振波长对于同一种金属薄膜，如果固定e,贝U?与 ns有关；固定？，则e与ns有关[4 ]如果将电介质换成待测样品，测出共振时的e或?，就可以得到样品的介电常数?s或折射率ns；如果样品的化学或生物性质发生变 化，引起ns的改变，则e或?也会发生变化，这样，检测这一变化 就可获得样品性质的变化固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的 SPR 光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射 率变化的 SPR 光谱。
SPR 光谱的改变反映了体系性质的变化SPR 传感器的主要性能特点，如灵敏度、稳定性、分辨率、选择性 和响应时间等，取决于其各个组成部分的性能 [5 ]SPR 传感器使用时，一般是先在金属薄膜表面修饰一层敏感物质，以便与样品中的待测组分选择性地作用这一相互作用会引起敏感 层折射率的改变，导致 SPR 信号的变化，从而获得待测样品的化学 或生物信息如果不对金属薄膜进行修饰，这样的传感器也可用于 一些简单体系的检测，如一些浓度随折射率变化的溶液（乙醇、蔗 糖、葡萄糖等的水溶液）金和银相对来说比较稳定，且反射率高，是比较常用的两种金属[6]在生物体系的测量中，常常有氯离 子存在，用银膜不太合适，一般都用金膜3 SPR 应用如今，SPR技术已被广泛地用来分析生物分子如蛋白质蛋白质、药 物.蛋白质、蛋白质.核酸、核酸.核酸之间的相互作用，所涉及的研 究领域包括免疫识别、信号传导、药物筛选、抗体定性以及蛋白质 构象变化等SPR技术用于分子生物学方面的研究如复制、转录、基因药物的研究、核酸杂交等，其优越性更是常规分析技术所无法比拟的参考文献：[1] 表面等离子体共振技术在分子生物学中的应用杨帆，杨秀容。
[2] 表面等离子体共振技术的一些新应用张天浩，尹美荣[3] Yoshiaki Tokunaga， Hirofumi W atanabe， Aliyuki Minamide et a1．Jpn．J．App1．Phys．Part 1， 1997， 36：3162[4] Shoji Maruo， Osamu Nakamura， Satoshi Kawata et a1．App1．Opt．， 1997， 36：2343[5] 唐永新，杨华，郭继华等．光学学报， 2001， 21：866[Tang YX，Yang H， Guo J H et a1．Acta Optica Sinica， 2001， 21：866(inChinese)]。