Резонанс плазмонов и его применение в сенсорике.

Введение

Физическое явление электронного резонанса

Поверхностный плазмонный резонанс (SPR) – это явление, возникающее при возбуждении электронов в тонком металлическом слое светом, направленным на слой под определенным углом падения, после чего электроны распространяются параллельно слою. При условии постоянной длины волны источника света и малой толщины металлического слоя, угол падения, вызывающий SPR, связан с показателем преломления материала, и даже незначительное изменение показателя преломления приводит к отсутствию SPR. Это делает SPR потенциальным методом для обнаружения определенных веществ (аналитов), и на основе SPR разработаны биосенсоры для определения различных важных биомаркеров.

Пояснение

Поляртон плазмона поверхности представляет собой нерадиационную электромагнитную поверхностную волну, распространяющуюся в направлении, параллельном границе раздела между средой с отрицательной диэлектрической проницаемостью и диэлектриком. Поскольку волна существует на границе между проводником и внешней средой (например, воздухом, водой или вакуумом), эти колебания очень чувствительны к любым изменениям этой границы, таким как адсорбция молекул на проводящей поверхности. Для описания существования и свойств поверхностных плазмонных поляритонов можно использовать различные модели (квантовая теория, модель Друде и т.д.). Наиболее простой подход – рассматривать каждый материал как однородный континуум, описываемый частотно-зависимой относительной диэлектрической проницаемостью между внешней средой и поверхностью. Эта величина, далее именуемая «диэлектрической функцией» материала, является комплексной диэлектрической проницаемостью. Для существования членов, описывающих электронный поверхностный плазмон, действительная часть диэлектрической постоянной проводника должна быть отрицательной, а её модуль – больше модуля диэлектрической проницаемости. Это условие выполняется в инфракрасном и видимом диапазонах длин волн для интерфейсов металл/воздух и металл/вода (где действительная диэлектрическая постоянная металла отрицательна, а диэлектрическая постоянная воздуха или воды положительна). LSPR (локализованные поверхностные плазмонные резонансы) – это коллективные колебания заряда электронов в металлических наночастицах, возбуждаемые светом. Они демонстрируют усиленную амплитуду ближнего поля на резонансной длине волны. Это поле сильно локализовано вблизи наночастицы и быстро затухает при удалении от границы раздела наночастица/диэлектрик в диэлектрическую среду, хотя рассеяние дальнего поля частицей также усиливается резонансом. Усиление интенсивности света является важной характеристикой LSPR, а локализация означает, что LSPR обладает очень высоким пространственным разрешением (субволновым), ограниченным лишь размером наночастиц. Благодаря усиленной амплитуде поля, эффекты, зависящие от амплитуды, такие как магнитооптический эффект, также усиливаются LSPR.

The surface plasmon polariton is a non radiative electromagnetic surface wave that propagates in a direction parallel to the negative permittivity/dielectric material interface. Since the wave is on the boundary of the conductor and the external medium (air, water or vacuum for example), these oscillations are very sensitive to any change of this boundary, such as the adsorption of molecules to the conducting surface. To describe the existence and properties of surface plasmon polaritons, one can choose from various models (quantum theory, Drude model, etc.). The simplest way to approach the problem is to treat each material as a homogeneous continuum, described by a frequency dependent relative permittivity between the external medium and the surface. This quantity, hereafter referred to as the materials' "dielectric function", is the complex permittivity. In order for the terms that describe the electronic surface plasmon to exist, the real part of the dielectric constant of the conductor must be negative and its magnitude must be greater than that of the dielectric. This condition is met in the infrared visible wavelength region for air/metal and water/metal interfaces (where the real dielectric constant of a metal is negative and that of air or water is positive). LSPRs (localized surface plasmon resonances) are collective electron charge oscillations in metallic nanoparticles that are excited by light. They exhibit enhanced near field amplitude at the resonance wavelength. This field is highly localized at the nanoparticle and decays rapidly away from the nanoparticle/dielectric interface into the dielectric background, though far field scattering by the particle is also enhanced by the resonance. Light intensity enhancement is a very important aspect of LSPRs and localization means the LSPR has very high spatial resolution (subwavelength), limited only by the size of nanoparticles. Because of the enhanced field amplitude, effects that depend on the amplitude such as magneto optical effect are also enhanced by LSPRs.

Выброс SPR

Когда поверхностная плазмонная волна взаимодействует с локальной частицей или неоднородностью, например, с шероховатой поверхностью, часть энергии может переизлучаться в виде света. Этот переизлученный свет может быть зарегистрирован с обратной стороны металлической пленки под разными углами.

Аналитические реализации

Поверхностный плазмонный резонанс может быть реализован в аналитических приборах. SPR-инструменты состоят из источника света, схемы ввода, призмы с интерфейсом для аналита, детектора и компьютера.

Детекторы

Детекторы, используемые в поверхностном плазмонном резонансе, преобразуют фотоны света, отраженные от металлической пленки, в электрический сигнал. В качестве детекторов могут использоваться позиционно-чувствительные детекторы (PSD) или приборы с зарядовой связью (ПЗС).

Приложения

Поверхностные плазмоны использовались для повышения чувствительности поверхности различных спектроскопических измерений, включая флуоресценцию, рассеяние Рамана и генерацию второй гармоники. В простейшем варианте измерения отражательной способности SPR могут использоваться для обнаружения молекулярной адсорбции, такой как полимеры, ДНК или белки и т. д. Технически, обычно измеряют угол минимального отражения (угол максимального поглощения). Этот угол изменяется на величину порядка 0,1° при адсорбции тонкой пленки (толщиной около нм). (См. также Примеры.) В других случаях отслеживаются изменения длины волны поглощения. Механизм обнаружения основан на том, что адсорбирующиеся молекулы вызывают изменения в локальном показателе преломления, изменяя условия резонанса поверхностных плазмонных волн. Тот же принцип используется в недавно разработанной конкурентной платформе, основанной на диэлектрических многослойных структурах с малыми потерями (DBR), поддерживающих поверхностные электромагнитные волны с более четкими резонансами (поверхностные волны Блоха). Если поверхность модифицирована различными биополимерами с использованием адекватной оптики и датчиков изображения (например, камеры), метод можно расширить до визуализации поверхностного плазмонного резонанса (SPRI). Этот метод обеспечивает высокий контраст изображений, основанный на количестве адсорбированных молекул, что в некоторой степени аналогично угловой микроскопии Брюстера (которая чаще всего используется в сочетании с ячейкой Лангмюра-Блоджетт). Для наночастиц локализованные колебания поверхностных плазмонов могут приводить к интенсивной окраске суспензий или золей, содержащих наночастицы. Наночастицы или нанопроволоки благородных металлов демонстрируют сильные полосы поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, которые отсутствуют у массивного металла. Это необычное увеличение поглощения было использовано для повышения поглощения света в фотоэлектрических элементах путем нанесения металлических наночастиц на поверхность элемента. Энергия (цвет) этого поглощения различается в зависимости от поляризации света вдоль или перпендикулярно нанопроводу. Сдвиги в этом резонансе, вызванные изменениями локального показателя преломления при адсорбции на наночастицы, также могут использоваться для обнаружения биополимеров, таких как ДНК или белки. К смежным дополнительным методам относятся плазмонный волноводный резонанс, КВЧ (QCM), необычная оптическая проницаемость и интерферометрия двойной поляризации.

Surface plasmons have been used to enhance the surface sensitivity of several spectroscopic measurements including fluorescence, Raman scattering, and second harmonic generation. In their simplest form, SPR reflectivity measurements can be used to detect molecular adsorption, such as polymers, DNA or proteins, etc. Technically, it is common to measure the angle of minimum reflection (angle of maximum absorption). This angle changes in the order of 0.1° during thin (about nm thickness) film adsorption. (See also the Examples.) In other cases the changes in the absorption wavelength is followed. The mechanism of detection is based on the adsorbing molecules causing changes in the local index of refraction, changing the resonance conditions of the surface plasmon waves. The same principle is exploited in the recently developed competitive platform based on loss less dielectric multilayers (DBR), supporting surface electromagnetic waves with sharper resonances (Bloch surface waves). If the surface is patterned with different biopolymers, using adequate optics and imaging sensors (i. e. a camera), the technique can be extended to surface plasmon resonance imaging (SPRI). This method provides a high contrast of the images based on the adsorbed amount of molecules, somewhat similar to Brewster angle microscopy (this latter is most commonly used together with a Langmuir–Blodgett trough). For nanoparticles, localized surface plasmon oscillations can give rise to the intense colors of suspensions or sols containing the nanoparticles. Nanoparticles or nanowires of noble metals exhibit strong absorption bands in the ultraviolet–visible light regime that are not present in the bulk metal. This extraordinary absorption increase has been exploited to increase light absorption in photovoltaic cells by depositing metal nanoparticles on the cell surface. The energy (color) of this absorption differs when the light is polarized along or perpendicular to the nanowire. Shifts in this resonance due to changes in the local index of refraction upon adsorption to the nanoparticles can also be used to detect biopolymers such as DNA or proteins. Related complementary techniques include plasmon waveguide resonance, QCM, extraordinary optical transmission, and dual polarization interferometry.

Иммуноанализ SPR

Первый иммуноанализ SPR был предложен в 1983 году Лидбергом, Ниландером и Лундстремом, в то время работавшими в Технологическом институте Линчёпинга (Швеция). Они адсорбировали человеческий IgG на серебряную пленку толщиной 600 ангстрем и использовали этот анализ для обнаружения антител к человеческому IgG в водном растворе. В отличие от многих других иммуноанализов, таких как ELISA, SPR-иммуноанализ не требует использования метки, поскольку для обнаружения аналита не нужна маркирующая молекула. Также методом CVD были получены однослойные пленки графена (3,7 Å) и полимеры толщиной в несколько микрометров.

Интерпретация данных

Наиболее распространенная интерпретация данных основана на формулах Френеля, которые рассматривают образовавшиеся тонкие пленки как бесконечные, сплошные диэлектрические слои. Эта интерпретация может приводить к множеству возможных значений показателя преломления и толщины. Как правило, только одно решение соответствует разумному диапазону данных. В многопараметрическом поверхностном плазмонном резонансе две кривые SPR получаются путем сканирования диапазона углов при двух различных длинах волн, что позволяет получить уникальное решение для толщины и показателя преломления. Плазмоны металлических частиц обычно моделируются с использованием теории рассеяния Ми. Во многих случаях детальное моделирование не применяется, но датчики калибруются для конкретной задачи и используются с интерполяцией по кривой калибровки.

Новые приложения

Благодаря универсальности приборов SPR, эта методика хорошо сочетается с другими подходами, открывая новые возможности применения в различных областях, таких как биомедицина и экологические исследования. В сочетании с нанотехнологиями SPR-биосенсоры могут использовать наночастицы в качестве носителей для терапевтических имплантатов. Например, при лечении болезни Альцгеймера наночастицы могут применяться для целевой доставки терапевтических молекул. В целом, SPR-биосенсорика демонстрирует преимущества перед другими методами в биомедицинской области благодаря отсутствию необходимости в маркировке, более низкой стоимости, возможности применения в условиях оказания медицинской помощи на месте и способности получать более быстрые результаты при работе с небольшими исследовательскими группами. При изучении загрязнителей окружающей среды приборы SPR могут служить заменой традиционным методам, основанным на хроматографии. Современные исследования загрязнения используют хроматографию для мониторинга изменения уровня загрязнения в экосистемах во времени. При использовании SPR-приборов с конфигурацией призмы Кретшмана для обнаружения хлорофена, нового загрязнителя, было показано, что SPR обеспечивает сопоставимую точность и достоверность результатов с методами хроматографии. Более того, SPR-сенсорика превосходит хроматографические методы благодаря высокой скорости и простоте анализа.

Обязательное определение постоянной

SPR можно использовать для изучения кинетики молекулярных взаимодействий в реальном времени. Определение аффинности между двумя лигандами включает в себя установление константы равновесной диссоциации, представляющей собой равновесное значение произведения скоростей. Эта константа может быть определена с использованием динамических параметров SPR, рассчитываемых как скорость диссоциации, деленная на скорость ассоциации. В этом процессе лиганд иммобилизуется на декстрановой поверхности SPR-кристалла. Через микропоточную систему раствор с аналитом подается на поверхность, покрытую лигандом. Связывание аналита с лигандом вызывает увеличение сигнала SPR (выраженного в единицах отклика, RU). После времени ассоциации в микрофлюидную систему вводят раствор без аналита (обычно буфер), чтобы инициировать диссоциацию связанного комплекса лиганда и аналита. По мере диссоциации аналита от лиганда сигнал SPR уменьшается. На основе этих скоростей ассоциации (ka) и диссоциации (kd) можно рассчитать константу равновесной диссоциации (константу связывания, KD). Обнаруженный сигнал SPR является следствием электромагнитного "сопряжения" падающего света с поверхностным плазмоном золотого слоя. Это взаимодействие особенно чувствительно к характеристикам слоя на границе раздела золото-раствор, толщина которого обычно составляет всего несколько нанометров. Связывание веществ с поверхностью изменяет способ отражения света, вызывая изменение угла отражения, которое можно измерить как сигнал в SPR-экспериментах. Одним из распространенных применений является измерение кинетики взаимодействия антител и антигенов.

Картировка эпитопов по парам

Поскольку SPR обеспечивает мониторинг в реальном времени, отдельные стадии последовательного связывания можно детально оценить при исследовании пригодности антител для использования в сэндвич-конфигурации. Кроме того, SPR позволяет картировать эпитопы, так как антитела к перекрывающимся эпитопам будут давать ослабленный сигнал по сравнению с антителами, способными взаимодействовать одновременно.

Магнитный плазмонный резонанс

В последнее время наблюдается интерес к магнитным поверхностным плазмонам. Для их реализации требуются материалы с высокой отрицательной магнитной проницаемостью, свойство, которое стало доступно лишь с недавним созданием метаматериалов.

Графен

Установлено, что нанесение графена на золото улучшает характеристики SPR-сенсоров. Его высокая электропроводность повышает чувствительность обнаружения. Большая площадь поверхности графена также облегчает иммобилизацию биомолекул, а его низкий показатель преломления минимизирует помехи. Улучшение чувствительности SPR за счет комбинирования графена с другими материалами расширяет возможности SPR-сенсоров, делая их применимыми в более широком спектре задач. Например, повышенная чувствительность графена может быть использована совместно с SPR-сенсором на основе серебра, предоставляя экономически выгодную альтернативу для измерения уровня глюкозы в моче. Также было показано, что графен повышает устойчивость SPR-сенсоров к высокотемпературному отжигу при температурах до 500 °C.

СВР из волокон оптических

Недавние достижения в технологии SPR привели к появлению новых форматов, расширяющих область применения и возможности SPR-сенсорики. Оптоволоконная SPR предполагает интеграцию SPR-сенсоров на концы оптических волокон, обеспечивая прямое сопряжение света с поверхностными плазмонами при прохождении аналитов через полое SPR-ядро. Этот формат обеспечивает повышенную чувствительность и позволяет создавать компактные сенсорные устройства, что особенно ценно для приложений, требующих дистанционного зондирования в полевых условиях. Он также предоставляет увеличенную площадь поверхности для связывания аналитов с внутренней поверхностью оптического волокна.