Rezonanța plasmatică

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 24 mai 2021; verificările necesită 2 modificări .
Rezonanța plasmatică
Clasificare: Rezonanță plasmonică localizată [1]
Grup: Plasmon , rezonanță

Rezonanța plasmonului ( în engleză  plasmon resonance ) este oscilațiile de rezonanță ale electronilor atunci când un plasmon de suprafață este excitat la frecvența sa de rezonanță de o undă electromagnetică externă (în cazul structurilor metalice la scară nanometrică se numește rezonanță plasmonică localizată ) [1] . Acest efect stă la baza multor instrumente de măsurare a adsorbției unui material pe suprafețele metalice, care se caracterizează prin fenomenul de rezonanță plasmonică de suprafață (SPR; Surface plasmon resonance - SPR ) [2] .

Istorie

De la prima observație a lui Wood în 1902, fenomenul fizic SPR a crescut exponențial în popularitate. Omul de știință a observat benzi anormale de întuneric și lumină în lumina reflectată [3] [4] [5] . Lordul Rayleigh a fost capabil să interpreteze fizic această anomalie, dar explicația acestui fenomen a rămas imposibilă [6] . În 1968, Otto și Kretschmann au raportat fenomenul rezonanței plasmonilor de suprafață [7] .

În 1983, SPR a fost folosit pentru prima dată pentru diagnosticarea SPR a biomoleculelor [8] . Și în 2006 a apărut primul produs comercial - dispozitivul Biacore pentru studierea interacțiunilor biomoleculare [9] .

De atunci, sondarea PPR a primit o atenție din ce în ce mai mare din partea comunității științifice. PPR câștigă rapid amploare în domeniul analizei cantitative în laboratorul clinic pentru imunotestul enzimatic, detectarea mutațiilor, monitorizarea medicamentelor terapeutice (TDM) și multe altele. În perioada 2005-2015, diagnosticarea SPR s-a mutat de la prisme convenționale Kretschmann la o nouă generație de senzori cu fibre cu structuri micro sau nano pentru a îmbunătăți SPR [10] .

Plasmon

O condiție necesară pentru generarea plasmonilor de suprafață este prezența electronilor liberi la interfața dintre două materiale. În practică, aceasta înseamnă întotdeauna că unul dintre aceste materiale este un metal (de obicei aur), unde există mulți electroni liberi. Această condiție rezultă în mod natural din analiza interfeței metal/dielectric folosind ecuația Maxwell . Din această analiză, imaginea reiese că plasmonii de suprafață pot fi considerați ca unde de densitate electronică propagatoare care apar la interfața dintre un metal și un dielectric [11] .

Explicație

O tehnică care permite utilizarea plasmonilor de suprafață în optică se bazează pe utilizarea reflexiei interne totale . Cu reflexia internă totală, o undă electromagnetică se propagă de-a lungul suprafeței care reflectă lumina, a cărei viteză depinde de unghiul de incidență. Dacă, la un anumit unghi de incidență, viteza acestei unde coincide cu viteza unui plasmon de suprafață pe suprafața metalului, atunci condițiile pentru reflexia internă totală vor fi încălcate, iar reflexia va înceta să fie completă și o suprafață. va apărea rezonanța plasmonică [1] .

Constanta de propagare a unei unde de plasmon de suprafață care se propagă la interfața dintre un dielectric și un metal este determinată de următoarea expresie:

unde k reprezintă numărul de undă în spațiul liber,  este permisivitatea metalului și  este indicele de refracție al dielectricului [12] .

Din expresie rezultă că aurul, argintul și alte câteva metale satisfac condiția .

În sistemele metalice la scară nanometrică, excitațiile electronice colective sunt modificate. Excitația electronică colectivă a nanoparticulelor de metal, a căror dimensiune este mai mică decât lungimea de undă a radiației electromagnetice din mediu - un plasmon de suprafață localizat - oscilează la o frecvență care este de √3 ori mai mică decât frecvența plasmonului în vrac, în timp ce frecvența a plasmonului de suprafață este de aproximativ √2 ori mai mică decât frecvența plasmonului în vrac.plasmon. Când frecvența câmpului extern coincide cu frecvența plasmonului de suprafață localizat, are loc o rezonanță, care duce la o creștere bruscă a câmpului pe suprafața particulei și o creștere a secțiunii transversale de extincție [1] .

Proprietățile plasmonilor localizați depind în mod critic de forma nanoparticulelor, ceea ce face posibilă reglarea sistemului rezonanțelor lor pentru o interacțiune eficientă cu lumina sau sistemele cuantice elementare [1] .

Aplicații

Deoarece lungimea de propagare a undelor de plasmon de suprafață (SPW) este foarte limitată, acțiunea sensibilă este efectuată direct în regiunea în care SPW este excitat de o undă optică. Sistemul optic folosit pentru a excita SPR-ul este utilizat simultan pentru măsurarea SPR-ului. Astfel, sensibilitatea senzorilor SPR nu poate beneficia de lungimea crescută a interacțiunii senzorului, așa cum se întâmplă de obicei la senzorii care utilizează moduri controlate ale ghidurilor de undă dielectrice . Constanta de propagare PPW este întotdeauna mai mare decât constanta de propagare a unei unde optice într-un dielectric și, prin urmare, PPW nu poate fi excitat direct de o undă optică incidentă la o interfață metal-dielectric plată. Prin urmare, impulsul undei optice incidente trebuie crescut pentru a se potrivi cu impulsul APW. Această modificare a impulsului este de obicei realizată prin reflexia totală atenuată în cuplele de prismă și ghidurile de undă optice, precum și prin difracția la suprafața rețelelor de difracție.

Senzorii SPR folosesc de obicei următoarele abordări de bază de detectare:

1. Măsurarea intensității unei unde optice aproape de rezonanță [13] [14] .

2. Măsurarea pulsului rezonant al unei unde optice, inclusiv măsurarea undei unghiulare [15] [16] și SPR [17] [18] [19] .

Imunotestul SPR (SPR)

Primul imunotest enzimatic pentru SPR a fost propus în 1983 de către Lidberg, Nylander și Lundström, lucrând atunci la Institutul de Tehnologie Linköping (Suedia) [13] . Ei au adsorbit IgG umană pe o peliculă de argint de 600 angstrom și au folosit testul pentru a detecta anticorpi anti-IgG uman în soluție apoasă. Spre deosebire de multe alte imunotestări, cum ar fi ELISA, imunotestul SPR nu conține etichete deoarece nu este necesară nicio moleculă de marcare pentru a detecta analitul [20] . În plus, măsurătorile SPR pot fi urmărite în timp real, permițându-vă să urmăriți pașii individuali în evenimente de legare succesive, ceea ce este util în special atunci când se evaluează complexe sandwich, de exemplu.

Interpretarea datelor

Cea mai comună interpretare a datelor se bazează pe formulele Fresnel, care tratează filmele subțiri formate ca straturi dielectrice continue infinite. Această interpretare poate duce la multe posibile valori ale indicelui de refracție și ale grosimii. Cu toate acestea, de obicei, o singură soluție se află într-un interval rezonabil de date. În rezonanța plasmonică de suprafață multiparametrică, două curbe SPR sunt obținute prin scanarea unui interval de unghiuri la două lungimi de undă diferite, rezultând o soluție unică atât pentru grosime, cât și pentru indicele de refracție.

Plasmonii cu particule metalice sunt în mod obișnuit modelați folosind teoria împrăștierii Mie.

În multe cazuri, modelele detaliate nu sunt utilizate, dar senzorii sunt calibrați pentru o anumită aplicație și utilizați interpolați într-o curbă de calibrare.

Caracteristicile materialului

Rezonanța plasmonică de suprafață multiparametrică, o configurație specială SPR, poate fi utilizată pentru a caracteriza straturile și stivele de straturi. Pe lângă cinetica de legare, MP-SPR poate oferi și informații despre modificările structurale în ceea ce privește grosimea stratului real și indicele de refracție. MP-SPR a fost aplicat cu succes în măsurători de țintire și perturbare a lipidelor [21] , grafen monostrat depus CVD (3,7 Å) [22] și polimeri cu grosimea micrometrică [23] .

Note

  1. ↑ 1 2 3 4 5 Naimushina Daria Anatolyevna. Plasmon Resonance, „Un dicționar al termenilor nanotehnologiei” . Rosnano . Preluat la 21 august 2012. Arhivat din original la 1 noiembrie 2012.
  2. ↑ MA Ordal, LL Long, RJ Bell, SE Bell, RR Bell. Proprietăți optice ale metalelor Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti și W în infraroșu și infraroșu îndepărtat (EN) // Optica aplicată. — 1983-04-01. - T. 22 , nr. 7 . — S. 1099–1119 . — ISSN 2155-3165 . - doi : 10.1364/AO.22.001099 . Arhivat din original pe 28 iunie 2020.
  3. ↑ Andreas Otto. Excitarea undelor de plasmă de suprafață neradiative în argint prin metoda reflecției totale frustrate  //  Zeitschrift für Physik A Hadroni și nuclee. - 1968-08-01. — Vol. 216 , iss. 4 . - P. 398-410 . — ISSN 0939-7922 . - doi : 10.1007/BF01391532 .
  4. ↑ RW Wood. XLII. Pe un caz remarcabil de distribuție neuniformă a luminii într-un spectru de rețea de difracție  // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1902-09-01. - T. 4 , nr. 21 . — S. 396–402 . — ISSN 1941-5982 . - doi : 10.1080/14786440209462857 .
  5. ↑ RW Wood. XXVII. Rețele de difracție cu formă controlată de șanț și distribuție anormală a intensității  //  The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1912-02. — Vol. 23 , iss. 134 . — P. 310–317 . - ISSN 1941-5990 1941-5982, 1941-5990 . - doi : 10.1080/14786440208637224 .
  6. ↑ Lord Rayleigh OM Pres RS XII. Despre percepția noastră despre direcția sunetului  // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — 1907-02-01. - T. 13 , nr. 74 . — S. 214–232 . — ISSN 1941-5982 . doi : 10.1080 / 14786440709463595 .
  7. ↑ Karl Zilles, Este Armstrong, Axel Schleicher, Hans-Joachim Kretschmann. Modelul uman de girificare în cortexul cerebral  (engleză)  // Anatomie și embriologie. - 1988-11-01. — Vol. 179 , iss. 2 . - P. 173-179 . — ISSN 1432-0568 . - doi : 10.1007/BF00304699 .
  8. ↑ Matthew Fivash, Eric M Towler, Robert J Fisher. BIAcore pentru interacțiunea macromoleculară  (engleză)  // Opinia curentă în biotehnologie. - 1998-02-01. — Vol. 9 , iss. 1 . — P. 97–101 . — ISSN 0958-1669 . - doi : 10.1016/S0958-1669(98)80091-8 .
  9. ↑ Laure Jason-Moller, Michael Murphy, JoAnne Bruno. Prezentare generală a sistemelor Biacore și a aplicațiilor lor  //  Protocoale curente în știința proteinelor. - 2006. - Vol. 45 , iss. 1 . — P. 19.13.1–19.13.14 . — ISSN 1934-3663 . - doi : 10.1002/0471140864.ps1913s45 .
  10. ↑ Pranveer Singh. Biosenzori SPR: Perspective istorice și provocări actuale  //  Senzori și actuatori B: Chimic. — 28-06-2016. — Vol. 229 . — P. 110–130 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/j.snb.2016.01.118 . Arhivat din original pe 18 ianuarie 2017.
  11. ↑ Richard BM Schasfoort. Manual de rezonanță plasmatică de suprafață: ediția a 2-a . - Societatea Regală de Chimie, 30-05-2017. — 555 p. - ISBN 978-1-78262-730-2 .
  12. ↑ Jiřı́ Homola, Sinclair S. Yee, Günter Gauglitz. Senzori de rezonanță plasmoni de suprafață: recenzie  //  Senzori și actuatori B: Chimic. — 25-01-1999. — Vol. 54 , iss. 1 . — P. 3–15 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/S0925-4005(98)00321-9 . Arhivat din original pe 10 ianuarie 2014.
  13. ↑ 1 2 Bo Liedberg, Claes Nylander, Ingemar Lunström. Rezonanță plasmonică de suprafață pentru detectarea și biodetecția gazelor  //  Senzori și actuatori. - 1983-01-01. — Vol. 4 . — P. 299–304 . — ISSN 0250-6874 . - doi : 10.1016/0250-6874(83)85036-7 . Arhivat din original pe 12 ianuarie 2012.
  14. ↑ M. Manuel, B. Vidal, Raul Lopez, Salvador Alegret, Julian Alonso-Chamarro. Determinarea randamentului probabil de alcool în musturi cu ajutorul unui senzor optic SPR  //  Senzori și actuatori B: Chimic. - 1993-03-01. — Vol. 11 , iss. 1 . — P. 455–459 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(93)85287-K .
  15. ↑ Koji Matsubara, Satoshi Kawata, Shigeo Minami. Senzor optic chimic bazat pe măsurarea plasmonilor de suprafață (EN) // Optica aplicată. - 15-03-1988. - T. 27 , nr. 6 . - S. 1160-1163 . — ISSN 2155-3165 . - doi : 10.1364/AO.27.001160 . Arhivat din original pe 12 august 2020.
  16. ↑ B. Liedberg, I. Lundström, E. Stenberg. Principiile biodetecției cu o matrice de cuplare extinsă și rezonanță plasmonică de suprafață  //  Senzori și actuatori B: Chimic. - 1993-03-01. — Vol. 11 , iss. 1 . — P. 63–72 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(93)85239-7 .
  17. ↑ L.-M. Zhang, D. Uttamchandani. Detecție chimică optică utilizând rezonanța plasmonică de suprafață  //  Electronics Letters. — 10-11-1988. — Vol. 24 , iss. 23 . — P. 1469–1470 . — ISSN 1350-911X . - doi : 10.1049/el:19881004 . Arhivat 10 noiembrie 2020.
  18. ↑ R. C. Jorgenson, S. S. Yee. Un senzor chimic cu fibră optică bazat pe rezonanța plasmonilor de suprafață  //  Senzori și actuatori B: Chimic. - 15-04-1993. — Vol. 12 , iss. 3 . — P. 213–220 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(93)80021-3 . Arhivat din original pe 11 februarie 2012.
  19. ↑ PS Vukusic, GP Bryan-Brown, JR Sambles. Rezonanța plasmonilor de suprafață pe rețele ca un mijloc nou pentru detectarea gazelor  //  Senzori și actuatori B: Chimic. - 1992-05-01. — Vol. 8 , iss. 2 . — P. 155–160 . — ISSN 0925-4005 . - doi : 10.1016/0925-4005(92)80173-U .
  20. ↑ Guan Xiang Du, Tetsuji Mori, Michiaki Suzuki, Shin Saito, Hiroaki Fukuda. Dovezi ale efectului magneto-optic îmbunătățit plasmonului de suprafață localizat în matricea de nanodiscuri  // Applied Physics Letters. — 22.02.2010. - T. 96 , nr. 8 . - S. 081915 . — ISSN 0003-6951 . - doi : 10.1063/1.3334726 .
  21. ↑ Niko Granqvist, Marjo Yliperttula, Salla Välimäki, Petri Pulkkinen, Heikki Tenhu. Controlul morfologiei straturilor lipidice prin chimia suprafeței substratului  // Langmuir. — 18-03-2014. - T. 30 , nr. 10 . — S. 2799–2809 . — ISSN 0743-7463 . - doi : 10.1021/la4046622 .
  22. ↑ Henri Jussila, He Yang, Niko Granqvist, Zhipei Sun. Rezonanța plasmonilor de suprafață pentru caracterizarea filmului de grafen cu strat atomic de suprafață mare (EN) // Optica. — 20.02.2016. - T. 3 , nr. 2 . — S. 151–158 . — ISSN 2334-2536 . - doi : 10.1364/OPTICA.3.000151 . Arhivat 3 mai 2020.
  23. ↑ Kristiina Korhonen, Niko Granqvist, Jarkko Ketolainen, Riikka Laitinen. Monitorizarea cineticii de eliberare a medicamentelor din filmele subțiri de polimer prin rezonanță plasmonică de suprafață multi-parametrică  (engleză)  // Jurnalul Internațional de Farmaceutică. — 15-10-2015. — Vol. 494 , iss. 1 . — P. 531–536 . — ISSN 0378-5173 . - doi : 10.1016/j.ijpharm.2015.08.071 .

Vezi și

Literatură