SPR光谱学的无标签化学和生物传感

表面等离子体共振(SPR)光谱学及其对应的局部表面等离子体共振(LSPR)光谱学被认为是无标记化学和生物传感以及纳米结构表征不可或缺的技术。

SPR光谱最常应用于生物传感学科，特别是在结合亲和力的研究，例如，抗体-抗原的相互作用。

相反，LSPR光谱主要用作检测痕量分子的信号增强方法。

在这些应用中，LSPR是表面增强拉曼、吸收、荧光和红外光谱等技术背后的主要物理过程。

这篇文章将概述表面等离子体的基本物理学，以及它们的波长依赖的相互作用。

LSPR和SPR之间的变化将通过说明实现信号增强的过程来检查。两个简短的案例研究将展示LSPR和SPR光谱学的应用。

表面等离子体物理

传导带电子的一致振荡以及介质和金属之间的界面产生的表面波被称为表面等离子体。

与任何其他电磁波一样，表面等离子体激元也有一个相关的波矢量。波矢量的大小由培养介质的相对介电常数（也称为介电常数）决定。

相对介电常数等于非磁性材料的折射率的平方根。欧洲杯足球竞彩因此，相对介电常数和折射率与波长有相同的关系。

如果入射光的波矢的平行分量与表面等离子体激元的波矢共振，这种依赖性将产生两个波的波长相关的破坏性或建设性干涉。

在某些情况下，LSPR和SPR可导致透射或反射光谱中波长的减少或增加。

传统的SPR传感器由一层金属薄膜(通常是银或金)放置在介质材料(通常是玻璃)上。宽带光通过全内反射(TIR)聚焦在界面上。

标准SPR传感器利用棱镜实现TIR，如FT-IR中的ATR(衰减全反射)尖端。其中一些方法是利用涂层光纤内部的红外光谱来产生SPR，稍后将对此进行详细描述。

在SPR光谱中，传感器暴露于分析物中，分析物可与传感器结合，从而导致相对介电常数的微小差异。这反过来又改变了表面等离子体激元的电阻频率。

一旦入射光与表面等离子体激元驻留在一起，SPR中探测到的光谱将在与破坏性干涉相关的光谱中出现下降。

当传感器收集越来越多的分析物时，透射光谱的局部极小值将发生变化，从而实现高灵敏度测量。

根据高斯定律，导体的表面电荷密度与其半径成反比。在LSPR中使用纳米制造方法来获得这种定位效应的好处。

本文将不介绍这种效应背后的完整物理描述。然而，理解极高的表面电荷密度可以产生显著的信号增强是至关重要的。

只有当衬底的实际部分的相对介电常数是环境的负倍数时，这种增强才能实现，从而显著增加信号的强度。

这种相关性是银和金经常用于SPR和LSPR的原因。银在532nm处的相对介电常数为-11.755+0.37038i，金的相对介电常数为-22.855+1.4245我在785纳米。这就是为什么在表面增强拉曼光谱（SERS）中，银通常用于532nm激发，金用于785nm激发。

由于前面提到的比例因子的大小依赖于衬底的几何形状(通常在2和20之间不等)，“增强”波长可以根据纳米结构的形状来调整。

这种几何依赖性在纳米材料的表征中也很有用。欧洲杯足球竞彩

案例研究

光纤SPR探头

由于将SPR传感器集成到系统中，目标传感器现在可以在危险环境中使用光纤探针．

这些探头通常是通过从一段光纤电缆上去除包层，然后在该区域涂上一层金属层，然后再涂上一层辩证层来创建的。

德里印度理工学院（Indian Institute of Technology）的一组研究人员最近公布的结果对这种方法进行了评估。用一层银和一层氧化锌覆盖纤芯以识别氯气¹．

在本实验中，使用Avantes AvaLight HAL卤钨灯将宽带光耦合到探头中。

氯化锌的生成是氯气分子与氧化锌相互作用的结果。这改变了相对介电常数，进而改变了表面等离子体激元的驻留波长。

当一部分光到达光纤包层内部时，检测到透射光谱的变化。使用Avantes AvaSpec-ULS3648-USB2光纤耦合光谱仪对其进行定量。

图1显示了定量光谱作为氯浓度的函数，显示了10 ppm到100 ppm之间的检测范围。

图1所示。不同浓度氯气的透射光谱(左)和峰值波长位移与浓度的函数(右)¹．

LSPR纳米表征

由于它高度依赖于基底或粒子的纳米结构，LSPR光谱是一种有效的表征方法。

匈牙利的研究人员最近利用了一个事实，即LSPR吸收光谱的线宽非常依赖于纳米颗粒的均匀性²．

实验中溅射了四种不同厚度的金纳米颗粒。欧洲杯猜球平台每个样品的层厚估计分别为30 nm、15 nm、12.5 nm和7.5 nm。

使用Avantes Avalight DHS卤素光源和avaspec - uls48% - 4dt - usb2(四通道高分辨率光谱仪)定量四个样品在空气(n=1)、水(n=1.33)和油(n=1.616)中的吸收光谱。

图2概述了数据，显示了表面等离子体共振的半高宽与层厚度之间的关系的强烈依赖性。这表明，随着层厚度的增加，纳米颗粒尺寸的变化量较大。

图2。四种不同厚度的金纳米粒子的全宽半最大值(FWHM)峰宽与环境折射率的函数关系欧洲杯猜球平台²．

最后的想法

这两个案例研究只是LSPR和SPR光谱学的应用范围中的两个，这些应用范围从化学和生物传感器到材料的表征。欧洲杯足球竞彩

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参考资料及进一步阅读

1. Usha，S.P.，Mishra，S.K.和Gupta，B.D.，2015年。基于SPR的银和氧化锌氯气检测光纤传感器的制备与表征. 欧洲杯足球竞彩材料，8（5），第2204-2216页。
2. Bonyár，A.，Wimmer，B.和Csarnovics，I.，2014年5月。基于金纳米颗粒的局域表面等离子体共振传感器的研制欧洲杯猜球平台．2014年第37届电子技术国际春季研讨会论文集(第369-374页)。IEEE。

本信息来源、审查和改编自Avantes BV提供的材料。欧洲杯足球竞彩

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