《表面等离激元共振法测液体折射率实验》由会员分享，可在线阅读，更多相关《表面等离激元共振法测液体折射率实验（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、表面等离激元共振法测液体折射率试验试验目的：1、了解全反射中倏逝波的概念2、观看表面等离激元共振现象，争论其共振角随折射率的变化3、进一步生疏和了解分光计的调整和使用4、了解和把握共振角测量的方法，以及计算折射率的原理和方法试验简介：早在1902年Wood就在光学试验中首次发觉了表面等离激元共振（SurfacePlasmonResonance,SPR）现象，1941年Fano依据金属和空气界面上电磁波的激发解释了这一SPR现象，随后就提出了体积等离子体子（激元）的概念，认为这是金属中体积电子密度的一种纵向波动。Ritchie留意到当高能电子通过金属薄片时，不仅在体积等离子体子频率处有能量损失峰
2、，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。1959年Powell和Swan通过试验验证了Ritchie理论。1960年Stern和Farrell争论了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离子体子（SP）的概念。1971年Kretschmann为SPR传感器结构技术奠定了基础，1983年Liedburg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定，1987年Knoll等人开头了SPR成像的争论，1990年BiocareAB公司开发出首台商品化SPR仪器。表面等离激元共振技术最终在20世纪90年月成功进展起来，成为应用SPR原理检测生物传感芯片上配位体与分析物作用的一种新技术。表面等
3、离激元共振是一种能够适合探测金属表面的分子相互作用的量子光电现象。理论上，一个表面全内部反射的光诱发从表面延长的倏逝波，平行于正常的波。这个倏逝场是由于光的波性质和强度随着表面距离增加而呈指数递增。在波导/金属表面相交处，从波导延长的倏逝场能够以具体的入射角耦合到电磁表面波，这个角称为表面等离激元共振（SPR）角。在这个角，光能量能够转换到传导金属膜片，由于共振频率是一样的，因此创建了一个表面等离激元。由于能量被吸取了，光的反射强度显示了在表面等离激元共振（SPR）发生的角的地方下降。倏逝场起着表面的探测杆作用，由于表面等离激元共振（SPR）角对于折射率的变化相当敏感。表面等离激元共振（SPR
4、）角的转换因此用于探测表面的折射率（RI）的变化，这个折射率（RI）的变化直接与表面粘和的分析物的浓度成正比例。SPR的共振角或共振波长与金属薄膜表面的性质亲热相关，假如在金属薄膜表面附着被测物质（一般为溶液或者生物分子），会引起金属薄膜表面折射率的变化，从而SPR光学信号发生转变，依据这个信号，就可以获得被测物质的折射率或浓度等信息，达到生化检测的目的。SPR传感技术是一项新兴的生物化学检测技术。自从Nylander和Liedberg于1982年首次将SPR传感技术用于气体检测和生物传感器中，20年来，SPR传感技术在实现方式、仪器开发和应用领域扩展上都获得了飞速的进展。与传统的生化分析方法
5、相比，SPR传感技术具有以下几个显著的优点：（1）免标记检测。SPR传感技术对被测物质的折射率特殊敏感，它与荧光分析或ELISA检测方法不同，省去了样品纯化和材料标记等样品预备步骤，大大节省了额外的时间，并消退了标记物对反应造成干扰的可能性；此外，它可以观看每个试验步骤对反应的影响，而不像其他实验方法只能得到试验的最终结果。（2）实时检测。接受SPR传感技术，反应的进展状况可以直接地显示在计算机屏幕上，这种对试验步骤地实时反馈，加快了试验开发和分析的速度。最为吸引人的是，SPR传感技术可以对反应进行动力学参数分析，这是其他分析方法所无法比拟的。（3）无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法
6、，光线在传感芯片表面被反射回来，并不与被测物接触；由于光线并不是穿透样品，甚至是混浊或不透亮的样品，也同样可以进行检测。传统的分析方法局限于体外试验或使用离体器官进行，例如X射线光电子能谱（XPS）、俄歇电子能谱（AES）以及次级离子质谱（SIMS）等，不仅费用比较昂贵，设施浩大，灵敏度有限，而且都不能争论有关动力学过程。与传统技术相比,SPR技术的优点极为明显。SPR分析技术的消逝，大大加快和优化了免疫测定过程，更为DNA和蛋白质之间的争论带来了重大突破。几十年来，DNA和蛋白质之间相互作用，特殊是其反应动力学的测定始终没有简便快捷的方法，而SPR技术解决了这一难题。由于SPR传感技术与其他
7、传统分析方法相比，有着无可比拟的独特优点，它在药物筛选、环境监测、生物科技、毒品及食品检测等许多重要领域有着巨大的市场潜力，并且保持着快速的进展。试验原理：在电磁场的作用下，材料中的自由电子会在金属表面发生集体振荡，产生表面等离激元(SurfacePlasmon)；共振状态下电磁场的能量被有效转换为金属表面自由电子的集体振动能。当入射光从折射率为n的光密介质照射到折射率为n的光疏介质发生全反12射时，在2种介质的交界面处将同时发生折射和反射，当入射角6大于临界角6时,将发生全反射，在全内反射(TotalInternalReflected,TIR)条件下,c入射光的能量没有损失，但光的电场强度在
8、界面处并不立刻减小为零，而会渗入光疏介质中产生消逝波，光波并不是确定地在界面上被全反射回光密介质，而是渗入光疏介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离重新返回光密介质，沿着反射光方向射出。这个沿着光疏介质表面流淌的波称为倏逝波。对于倏逝波在金属内部的分布是随着与表面垂直距离z的增大而呈指数衰减，即I(z)=I(0)exp(-)d其中d=2(九是光在真空中的波长)是倏逝波渗入光疏介质的加右;血20-役0有效深度(光波的电场衰减至表面强度的1/e时的深度)。可见入射的有效深度d不受入射光偏振化程度的影响，除00，d的特殊条件外(0为布儒斯特cc角)，d随着入射角的增加而减小，其大小是九的
9、数量级甚至更小。由于倏逝波0的存在，在界面处发生全内反射的光线，实际上在光疏介质中产生大小约为半个波长的位移后又返回光密介质。若光疏介质很纯净，不存在对倏逝波的吸取或散射，则内部的全反射光并不会衰减。反之，若光疏介质不纯净，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全内反射(反射率消逝最小值)。表面等离激元共振(surfaceplasmonresonance,SPR)是倏逝波以衰减全反射的方式激发表面等离激元波(surfaceplasmonwave,SPW),当SPW波矢与倏逝波的波矢大小相等、方向相同时，产生共振，导致入射光的反射光强降至最低。假如在两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那
10、么全反射时产生的倏逝波(EvanescentWave)的P偏振重量(P波)将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波(SurfacePlasmonWave，SPW)。当入射光的角度或波长到某一特定值时，入射光的大部分会转换成SPW的能量，从而使全反射的反射光能量突然下降，在反射谱上消逝共振吸取峰，此时入射光的角度或波长称为SPR的共振角或共振波长。SPR的共振角或共振波长与金属薄膜表面的性质亲热相关，假如在金属薄膜表面附着被测物质(一般为溶液或者生物分子)，会引起金属薄膜表面折射率的变化，从而SPR光学信号发生转变，依据这个信号，就可以获得被测物
11、质的折射率或浓度等信息，达到生化检测的目的。表面等离激元(SP)是沿着金属和电介质之间的界面传播的电磁波所形成的。当P偏振光以表面等离激元共振角入射到界面上，将发生衰减全反射：入射光被耦合到表面等离激元内，光能被大量吸取，在这个角度上由于发生了表面等离激反射光谱上消逝共振吸取峰，这就是表面等离激元共振现象。在入射光波长固定的状况下，通过转变入射角，也可以实现角度指示型表面等离激元共振。如图所示，当P偏振光(振动方向在入射面内)通过柱面棱镜照射到金属表面时，入射光波矢k在x方向上的投影k为xk=knsin0(2)x0p1式中，k=2n/X是入射光在自由空间中的波矢，尢是入射光在自由空间中的000
12、波长，n是柱面棱镜的折射率(折射率有实部、虚部，本试验所指折射率均指p折射率的实部)，0为入射角。依据Maxwell方程，可以推导出表面等离激元波的波矢k(如图的所示)的sp模为k=km_ssp0e+n2ms(3)其中，e是金属的介电常数，n是待争论介质的折射率。m当k=k时，xsp入射光波就会在金属表面形成表面等离激元共振。k=knsin0sp0p1上式就是产生SPR现象的条件。:en2mse+n2ms.r.y、=Reko丿，调整入射角e,1(4)反射光强最低时对应的共振角e满足:spsin0=Resp(en2)JmsVe+n2ms丿(5)5)图三基于分光计的SPR传感器原理图由于所接受的金
13、属介电常数的实部确定值远大于虚部确定值，则公式可进一步简化为：(6).0IRe(e)n2nsin0=.-psRe(e)+n2m依据(6)式可知待测液体折射率和共振角之间的关系，试验中可接受该式测量不同液体的折射率。仪器基本原理图如图二所示。结合分光计的精度和角度读数的便利性，能够精确的找到待测溶液所对应的共振角。留意事项：1. 不应用手触摸光学元件的表面。2. 切记换药品时应用清水冲洗干净3. 操作繁琐，应认真。数据处理：试验中原始数据如下：纯净水：角度0纯净水688516966069.55447033370.53197131271.535471.753697249872.3550736627
14、472775768768547788178951799638098581936829038392584905859238666387600886001:1酒精：角度01:1酒精659916695467960689596989870886717237257272.547872.754007330573.2528373.524873.752327420174.527074.753207535876558776557877879790808008180282810838018482085821868198780088750无水乙醇：角度（P无水乙醇65975669656792668922698827084071816727737368573.2558073.546173.754207440674.2535074.331074.753007528576500775527865679783807778178582844839338494785903869168794988984将以上数据接受origin作图得:BA图一：纯净水的接受光强与入射角曲线图二：1:1乙醇接受光强与入射角曲线图三：无水乙醇的接受光强与入射角曲线由图可以得出，纯净水的0为705。无水乙醇的0为75。1：1乙醇的9为74。spspsp由Re()n2nsinU=mpsR
