Спектроскопия поверхностного плазмонного резонанса

Теги avantes поверхностный плазмонный резонанс спектроскопия наночастиц

Дата публикации: 10.06.2020 22:00

Метод спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса, также спектроскопия ППР – один из новых методов для изучения структуры и динамики молекулярных систем. Наряду со спектроскопией локального поверхностного плазмонного резонанса (ЛППР), спектроскопия ППР широко применяется в биохимии для наблюдения взаимодействия между антителами и антигенами. Изучение явления ППР стало ключом к созданию множества сенсорных систем для исследования образования и диссоциации как низкомолекулярных соединений, так и макромолекул. Примечательно, что в основе многих видов спектроскопии – рамановской, инфракрасной, флуоресцентной – лежит именно феномен ППР.

В этой статье кратко рассматриваются способы возбуждения поверхностного плазмонного резонанса, различия между ЛППР и ППР, примеры приложений.

Возбуждение поверхностных плазмонов

Плазмонами называют псевдочастицы, образованные квантами колебаний электронного газа в металле или диэлектрике. Подобно электромагнитной волне, поверхностные плазмоны задаются волновым вектором. Амплитуда волнового вектора зависит от относительной проводимости (диэлектрической постоянной) вещества. Если среда не имеет магнитных свойств, диэлектрическая постоянная приравнивается к квадратному корню из показателя преломления, следовательно, обладает зависимостью от длины волны. Любое изменение показателя преломления в приграничной области ведет к изменению условий ППР, еще одно условие эффективного возбуждения плазмона связано с поляризацией падающей волны. В ППР системах в основном используют плоскополяризованные волны, у которых вектор электрического поля параллелен плоскости падения: такие волны сильнее всего взаимодействуют с электронами в проводящей пленке.

ППР-детекторы состоят из тонкой металлической пленки (чаще из золота или серебра из-за высокой химической устойчивости), нанесенной на диэлектрическую подложку (кварцевое стекло). Как в оптическом волокне, возникновение поверхностного плазмонного резонанса основано на явлении полного внутреннего отражения: при прохождении света из одной (оптически плотной) оптической среды в другую (оптически менее плотную) под углом падения, отвечающем углу преломления 90°, волна не сможет проникнуть вглубь оптически менее плотной среды. Однако электрическое поле фотонов все же проникает в среду с меньшим показателем преломления на расстояние порядка длины волны света. Для эффективного возбуждения ППР частота света должна быть ниже плазменной частоты (собственной частоты колебаний электронов) металла. Для большинства металлов плазменная частота принадлежит УФ диапазону, потому для возбуждения ППР применяется излучение видимой и ИК области.

На практике импульс плазмонов оказывается больше импульса фотонов, поэтому для возникновения ППР используют согласующие устройства различных типов: призменные, волноводные, дифракционные, а также фотонные кристаллы. Механизм ППР в волноводах рассматривается далее.

Локальный поверхностный плазмонный резонанс

Локальный поверхностный плазмонный резонанс, в отличие от поверхностного плазмонного резонанса, в металлически наночастицах реализуется и без согласующих приспособлений. Механизм возникновения ЛППР в наночастицах в статье не рассматривается, однако для дальнейших рассуждений необходимо отметить следующее: чем выше поверхностная плотность заряда, тем сильнее усиливается импульс плазмонов. По этой причине в ЛППР и ППР основным материалом для пленок является серебро и золото: относительная проводимость этих металлов является самой высокой.

Оптические волноводные сенсоры на основе ППР

Метод поверхностного плазмонного резонанса используется при разработке оптоволоконных датчиков для эксплуатации в неблагоприятных условиях. Оптоволоконные зонды изготавливают путем снятия оболочки с участка волоконно-оптического кабеля, далее этот участок покрывается металлическим, а затем диалектическим слоем. Группа ученых в Индийском технологическом институте (Дели) недавно опубликовала результаты исследования эффективности обнаружения паров хлора с помощью оптоволоконного зонда на основе ППР. Сердцевина оптического волокна была покрыта слоем серебра, защитное покрытие было выполнено из оксида цинка. Эксперимент был поставлен с использованием оборудования Avantes: в качестве широкополосного источника излучения выбран AvaLight-HAL, спектр пропускания регистрировался с помощью оптоволоконного спектрометра AvaSpec-ULS3648-USB2. Молекулы газообразного хлора взаимодействовали с оксидом цинка, образуя хлорид цинка. Продукт реакции влияет на относительную диэлектрическую проницаемость и показатель преломления, изменяя длину волны возбуждения поверхностных плазмонов. На рисунке 1 приведены измеренные спектры как функции концентрации хлора, демонстрирующие диапазон обнаружения спектрометра Avantes от 10 до 100 частей на миллион.

Рисунок 1. Энергетический спектр пропускания и график концентрации газообразного хлора

Изучение наноструктур методом ЛППР

Спектроскопия локального поверхностного плазмонного резонанса имеет ряд преимуществ перед классическими методами исследований межмолекулярных взаимодействий в биохимии и связывания антител к антигену. В ППР отсутствует необходимость в отметке реагентов, высокая чувствительность упрощает работу с небольшим объемом образцов.

Исследовательская группа из Венгрии изучила линии спектра поглощения при возбуждении локального поверхностного резонанса внутри наночастиц и пришла к выводу о спектральной зависимости от однородности наноматериала. В своем эксперименте наночастицы золота распыляли слоем различной толщины. Предполагаемая толищна слоев: 7.5 нм, 12.5 нм, 15 нм и 30 нм.

AvaSpec-ULS2048-4DT-USB2 – четырехканальный спектрометр высокого разрешения, и галогенный источник света AvaLight DHS использовались для измерения спектров поглощения четырех образцов в воздухе (n = 1), воде (n = 1.33) и масле (n = 1.616). Из этих данных, показанных на рисунке 2, венгерская группа вывела явную зависимость от соотношения между толщиной слоя и шириной на полувысоте поверхностного плазмонного резонанса, что указывает на более высокую степень изменчивости размера наночастиц при увеличении толщины слоя.

Рисунок 2. Ширина пика на полувысоте (FWHM) спектра поглощения четырех слоев различной толщины

Инструменты и приборы Avantes используются практически во всех OEM-приложениях и многих отраслях фотоники и лазерных технологий, микроскопии и спектроскопии. Физика наноструктур – одна из интереснейших и перспективных научных областей, в рамках которой регулярно приобретаются:

Cпектрометры Avantes SensLine, StarLine, NIRLine
Cпектрометры и наборы для спектроскопии комбинационного рассеяния AvaRaman
Источники узкополосного и широкополосного излучения AvaLight

©Avantes

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Avantes на территории РФ

Теги avantes поверхностный плазмонный резонанс спектроскопия наночастиц

Новые статьи

Характеристика свойств субхондральной кости человека с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

Дегенеративные заболевания суставов часто характеризуются изменениями свойств суставного хряща и субхондральной кости. Эти изменения часто связаны с толщиной субхондральной пластинки и морфологией трабекулярной кости. Таким образом, оценка целостности субхондральной кости может дать важные сведения для диагностики патологий суставов. В данном исследовании изучается потенциал оптической спектроскопии для характеристики свойств субхондральной кости человека. Образцы остеохондральной кости (n = 50 – количество образцов) были извлечены из коленного сустава трупа человека (n = 13) в четырех анатомических точках и подвергнуты БИК-спектроскопии(в ближней инфракрасной области). Затем образцы были исследованы с помощью микрокомпьютерной томографии для определения морфометрических характеристик субхондральной кости, включая: толщину пластинки (Sb.Th), толщину трабекул (Tb.Th), объемную долю (BV/TV) и индекс модели структуры (SMI). Связь между свойствами субхондральной кости и спектральными данными в 1-м (650 - 950 нм), 2-м (1100 - 1350 нм) и 3-м (1600-1870 нм) оптических окнах была исследована с помощью многомерного метода частичных наименьших квадратов (PLS) регрессии. Значимые корреляции (p < 0.0001) и относительно низкие ошибки прогнозирования были получены между спектральными данными в 1-м оптическом окне и Sb.Th (R²= 92.3%, ошибка = 7.1%), Tb.Th (R²= 88.4%, ошибка = 6.7%), BV/TV (R²= 83%, ошибка = 9.8%) и SMI (R²= 79.7%, ошибка = 10.8%). Таким образом, БИК-спектроскопия в 1-м тканевом оптическом окне способна характеризовать и оценивать свойства субхондральной кости и потенциально может быть адаптирована во время артроскопии.

Моделирование нервного волокна на основе оптического волновода

Миелинизированные аксоны являются многообещающими кандидатами для передачи нервных сигналов и света ввиду их волноводных структур. С другой стороны, с появлением таких заболеваний, как рассеянный склероз и нарушений формирования и передачи нервных сигналов из-за демиелинизации, понимание свойств миелинизированного аксона как волновода приобретает большую важность. Настоящее исследование направлено на то, чтобы показать, что профиль показателя преломления (ПП) миелинизированного аксона играет существенную роль в передаче лучей в нем.

Оптимизация обнаружения сверхслабых световых потоков

В ходе исследования, описанного в данной статье, были объединены статистическая модель, анализ шумов детектора и эксперименты по калибровке. Согласно результатам, видимый свет может быть обнаружен с помощью ПЗС камеры с электронным умножителем с соотношением сигнал/шум, равным 3, для потоков с количеством фотонов менее 30 фотонов с⁻¹ см⁻².

Диагностика импульсного плазменного потока

Импульсные плазменные потоки в плазменных ускорителях широко используются для решения ряда научных и практических задач. Особый интерес среди применений импульсных плазменных потоков представляют термоядерный синтез и астрофизические исследования, например, экспериментальное исследование взаимодействия импульсного плазменного потока с материалами.

Полные высокопроизводительные настольные системы сканирования HSI PUSH-BROOM

Применение гиперспектральной визуализации заметно расширилось за последние годы. Тем не менее, остается общая проблема, а именно: предоставление полного интегрированного решения для фиксации 2-D гиперспектральных изображений в компактном настольном формате, которое предоставляет подробную спектральную информацию для определения компонентов, количества и их распределения в плоскости сканирования.

Автофлуоресцентная микроскопия — идентификация бактериальных сигналов на образцах горных пород

Распространенным методом обнаружения микробов в жидких и нежидких образцах является окрашивание флуоресцентными красителями, при котором образцы окрашиваются флуорофором, возбуждаемым фотонами от источника света. Флуорофоры — это молекулы, которые проявляют флуоресценцию, и могут быть биомолекулами естественного происхождения (в этом случае флуоресценция называется автофлуоресценцией), флуоресцентными красителями (синтезированными молекулами) или минералами. Конкретные применения красителей включают обнаружение и перечисление бактерий, визуализацию экспрессии генов и обнаружение биомолекул, которые иначе невозможно было бы отследить.