Плазмонный резонанс

С момента первого наблюдения Вуда в 1902 году физический феномен ППР стал по экспоненте набирать свою популярность. Ученый заметил аномальные темные и светлые полосы в отраженном свете[3][4][5]. Лорд Рэйли смог физически интерпретировать эту аномалию, но объяснение данного явления было оставалось невозможным[6]. В 1968 году Отто и Кречманн сообщили о явлении поверхностного плазмонного резонанса[7].

В 1983 году ППР впервые использовали для ППР-диагностики биомолекул[8]. А в 2006 году появился первый коммерческий продукт - прибор Biacore для изучения биомолекулярных взаимодействий[9].

Biacore 3000 Surface Plasmon Resonance (SPR) Instrument

С тех пор зондирование ППР получает постоянно растущее внимание со стороны научного сообщества. ППР быстро набирает обороты в области количественного анализа в клинической лаборатории для иммуноферментного анализа, обнаружения мутаций, терапевтического мониторинга лекарственных средств (TDM) и тд. В период с 2005-2015 год SPR диагностика перешла от обычных призм Кречманна до нового поколения волоконных сенсоров с микро или нано структурами для усиления ППР[10].

Необходимым условием для генерации поверхностных плазмонов является наличие свободных электронов на границе раздела двух материалов. На практике это всегда означает, что одним из этих материалов является металл (обычно золото), где много свободных электронов. Это условие естественно следует из анализа границы раздела металл/ диэлектрик методом уравнения Максвелла. Из этого анализа вырисовывается картина, что поверхностные плазмоны можно рассматривать как распространяющиеся волны электронной плотности, возникающие на границе раздела между металлом и диэлектриком[11].

Nanoparticle Plasmon Resonance

Поверхностный плазмонный резонанс

Технический прием, позволяющий использовать поверхностные плазмоны в оптике, основан на использовании полного внутреннего отражения. При полном внутреннем отражении вдоль отражающей свет поверхности распространяется электромагнитная волна, скорость которой и зависит от угла падения. Если при определённом угле падения скорость этой волны совпадет со скоростью поверхностного плазмона на поверхности металла, то условия полного внутреннего отражения нарушатся, и отражение перестанет быть полным, возникнет поверхностный плазмонный резонанс[1].

Постоянная распространения поверхностной плазмонной волны, распространяющейся на границе раздела диэлектрика и металла, определяется следующим выражением:

${\displaystyle \beta =k{\sqrt {\frac {\varepsilon _{m}n_{s}^{2}}{\varepsilon _{m}+\varepsilon _{m}n_{s}^{2}}}}\,,}$

где k обозначает волновое число в свободном пространстве, ${\displaystyle \varepsilon _{m}}$ — диэлектрическую проницаемость металла и ${\displaystyle n_{s}}$ — показатель преломления диэлектрика[12].

Из выражения следует, что золото, серебро и ещё несколько металлов удовлетворяют условию ${\displaystyle {\begin{array}{lll}\varepsilon _{m}<-n_{s}^{2}\end{array}}}$.

В наноразмерных металлических системах происходит модификация коллективных электронных возбуждений. Коллективное электронное возбуждение металлических наночастиц, размер которых меньше длины волны электромагнитного излучения в окружающей среде — локализованный поверхностный плазмон, — колеблется на частоте, меньшей частоты объемного плазмона в √3 раз, тогда как частота поверхностного плазмона примерно в √2 раз меньше, чем частота объемного плазмона. При совпадении частоты внешнего поля с частотой локализованного поверхностного плазмона возникает резонанс, приводящий к резкому усилению поля на поверхности частицы и увеличению сечения экстинкции[1].

Свойства локализованных плазмонов критически зависят от формы наночастиц, что позволяет настраивать систему их резонансов на эффективное взаимодействие со светом или элементарными квантовыми системами[1].

Так как длина распространения поверхностно плазмонных волн (ППВ) очень ограничена, чувствительное действие осуществляется непосредственно в области, где ППВ возбуждается оптической волной. Оптическая система, используемая для возбуждения ППВ одновременно используется для измерения SPR. Таким образом, чувствительность датчиков SPR не может выиграть от увеличения длины взаимодействия датчика, как это обычно происходит в датчиках, использующих управляемые режимы диэлектрических волноводов. Константа распространения ППВ всегда выше, чем константа распространения оптической волны в диэлектрике, и поэтому ППВ не может быть возбужден непосредственно падающей оптической волной на плоской границе раздела металл–диэлектрик. Поэтому импульс падающей оптической волны должен быть увеличен, чтобы соответствовать импульсу ППВ. Это изменение импульса обычно достигается с помощью ослабленного полного отражения в призменных ответвителях и оптических волноводах, а также дифракции на поверхности дифракционных решеток.

В датчиках SPR обычно используются следующие основные подходы к обнаружению:

1. Измерение интенсивности оптической волны вблизи резонанса[13][14].

2. Измерение резонансного импульса оптической волны, включая угловое[15][16] и волновое измерение SPR[17][18][19].

Схема датчика, использующего поверхностный плазмонный резонанс

• SPR-диагностика

• Перлин Е.Ю., Вартанян Т. А., Федоров А. В. Физика твердого тела. Оптика полупроводников, диэлектриков, металлов: Учебное пособие.. — СПб.: СПбГУ ИТМО, 2008. — 216 с.
• Pompa P. P., Martiradonna L. et al. Metal-enhanced fluorescence of colloidal nanocrystals with nanoscale control // Nature Nanotechnology. 2006. V. 1. P. 126—130.