Поверхностный плазмонный резонанс ( SPR ) — это явление, которое происходит, когда электроны в тонком металлическом листе возбуждаются светом, направленным на лист под определенным углом падения, а затем движутся параллельно листу. Если предположить, что длина волны источника света постоянна, а металлический лист тонкий, то угол падения, который запускает SPR, связан с показателем преломления материала, и даже небольшое изменение показателя преломления приведет к тому, что SPR не будет наблюдаться. Это делает SPR возможным методом обнаружения определенных веществ ( аналитов ), и были разработаны биосенсоры SPR для обнаружения различных важных биомаркеров. [1] [2]
Поверхностный плазмон-поляритон — это нерадиационная электромагнитная поверхностная волна , которая распространяется в направлении, параллельном границе раздела отрицательной диэлектрической проницаемости/диэлектрического материала. Поскольку волна находится на границе проводника и внешней среды (например, воздуха, воды или вакуума), эти колебания очень чувствительны к любому изменению этой границы, такому как адсорбция молекул на проводящей поверхности. [3]
Для описания существования и свойств поверхностных плазмонных поляритонов можно выбрать различные модели (квантовую теорию, модель Друде и т. д.). Самый простой способ подойти к проблеме — рассматривать каждый материал как однородный континуум, описываемый относительной диэлектрической проницаемостью между внешней средой и поверхностью, зависящей от частоты. Эта величина, далее именуемая « диэлектрической функцией » материалов , является комплексной диэлектрической проницаемостью . Для того чтобы термины, описывающие электронный поверхностный плазмон , существовали, действительная часть диэлектрической проницаемости проводника должна быть отрицательной, а ее величина должна быть больше, чем у диэлектрика. Это условие выполняется в инфракрасно-видимой области длин волн для интерфейсов воздух/металл и вода/металл (где действительная диэлектрическая проницаемость металла отрицательна, а воздуха или воды положительна).
LSPR ( локализованные поверхностные плазмонные резонансы) представляют собой коллективные колебания электронного заряда в металлических наночастицах, которые возбуждаются светом. Они демонстрируют повышенную амплитуду ближнего поля на резонансной длине волны. Это поле сильно локализовано на наночастице и быстро затухает вдали от интерфейса наночастица/диэлектрик в диэлектрический фон, хотя рассеяние в дальнем поле частицей также усиливается резонансом. Повышение интенсивности света является очень важным аспектом LSPR, а локализация означает, что LSPR имеет очень высокое пространственное разрешение (субволновую длину), ограниченное только размером наночастиц. Из-за повышенной амплитуды поля эффекты, зависящие от амплитуды, такие как магнитооптический эффект, также усиливаются LSPR. [4] [5]
Для того чтобы возбудить поверхностные плазмонные поляритоны резонансным образом, можно использовать электронную бомбардировку или падающий световой луч (типичными являются видимый и инфракрасный). Входящий луч должен соответствовать своему импульсу импульсу плазмона. [6] В случае p-поляризованного света (поляризация происходит параллельно плоскости падения), это возможно путем пропускания света через стеклянный блок для увеличения волнового числа (и импульса ) и достижения резонанса при заданной длине волны и угле. S-поляризованный свет (поляризация происходит перпендикулярно плоскости падения) не может возбудить электронные поверхностные плазмоны. Электронные и магнитные поверхностные плазмоны подчиняются следующему дисперсионному соотношению :
где k( ) — волновой вектор, — относительная диэлектрическая проницаемость, — относительная магнитная проницаемость материала (1: стеклянный блок, 2: металлическая пленка), — угловая частота, — скорость света в вакууме. [7]
Типичными металлами, поддерживающими поверхностные плазмоны, являются серебро и золото, но также используются такие металлы, как медь, титан или хром.
При использовании света для возбуждения волн SP существуют две конфигурации, которые хорошо известны. В конфигурации Отто свет освещает стенку стеклянного блока, обычно призмы, и полностью отражается изнутри . Тонкая металлическая пленка (например, золотая) располагается достаточно близко к стенке призмы, так что затухающая волна может взаимодействовать с плазменными волнами на поверхности и, следовательно, возбуждать плазмоны. [8]
В конфигурации Кречмана (также известной как конфигурация Кречмана–Ретэра ) металлическая пленка испаряется на стеклянный блок. Свет снова освещает стеклянный блок, и затухающая волна проникает через металлическую пленку. Плазмоны возбуждаются на внешней стороне пленки. Эта конфигурация используется в большинстве практических приложений. [8]
Когда поверхностная плазмонная волна взаимодействует с локальной частицей или неоднородностью, например, с шероховатой поверхностью , часть энергии может быть переизлучена в виде света. Этот излученный свет может быть обнаружен за металлической пленкой с различных направлений.
Поверхностный плазмонный резонанс может быть реализован в аналитическом приборостроении. Приборы SPR состоят из источника света, входной схемы, призмы с интерфейсом аналита, детектора и компьютера.
Детекторы, используемые в поверхностном плазмонном резонансе, преобразуют фотоны света, отраженные от металлической пленки, в электрический сигнал. Детектор позиционного считывания (PSD) или прибор с зарядовой связью (CCD) могут использоваться для работы в качестве детекторов. [9]
Поверхностные плазмоны использовались для повышения поверхностной чувствительности нескольких спектроскопических измерений, включая флуоресценцию , комбинационное рассеяние и генерацию второй гармоники . В своей простейшей форме 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 порядка 0,1° при тонкой (толщиной около нм) пленочной адсорбции. (См. также Примеры.) В других случаях отслеживаются изменения длины волны поглощения. [10] Механизм обнаружения основан на адсорбирующихся молекулах, вызывающих изменения локального показателя преломления, изменяя условия резонанса поверхностных плазмонных волн. Тот же принцип используется в недавно разработанной конкурентоспособной платформе на основе безпотерьных диэлектрических многослойных слоев ( DBR ), поддерживающих поверхностные электромагнитные волны с более острыми резонансами ( поверхностные волны Блоха ). [11]
Если поверхность структурирована различными биополимерами, используя адекватную оптику и датчики визуализации (например, камеру), метод может быть расширен до поверхностной плазмонной резонансной томографии (SPRI). Этот метод обеспечивает высокую контрастность изображений на основе адсорбированного количества молекул, что несколько похоже на микроскопию под углом Брюстера (последняя чаще всего используется вместе с лотком Ленгмюра-Блоджетт ).
Для наночастиц локализованные поверхностные плазмонные колебания могут вызывать интенсивные цвета суспензий или золей, содержащих наночастицы . Наночастицы или нанопроволоки благородных металлов демонстрируют сильные полосы поглощения в ультрафиолетовом – видимом режиме света, которые отсутствуют в объемном металле. Это необычайное увеличение поглощения было использовано для увеличения поглощения света в фотоэлектрических элементах путем осаждения металлических наночастиц на поверхность ячейки. [12] Энергия (цвет) этого поглощения отличается, когда свет поляризован вдоль или перпендикулярно нанопроволоке. [13] Сдвиги в этом резонансе из-за изменений локального показателя преломления при адсорбции на наночастицах также могут использоваться для обнаружения биополимеров, таких как ДНК или белки. Связанные дополнительные методы включают плазмонный волноводный резонанс, QCM , необычайную оптическую передачу и двухполяризационную интерферометрию .
Первый иммуноанализ SPR был предложен в 1983 году Лидбергом, Ниландером и Лундстрёмом, тогда работавшими в Технологическом институте Линчёпинга (Швеция). [15] Они адсорбировали человеческий IgG на серебряной пленке 600 ангстрем и использовали анализ для обнаружения античеловеческого IgG в водном растворе. В отличие от многих других иммуноанализов, таких как ИФА , иммуноанализ SPR не требует меток , поскольку для обнаружения аналита не требуется молекула-метка . [16] [17] [14] Кроме того, измерения на SPR можно отслеживать в режиме реального времени, что позволяет отслеживать отдельные этапы в последовательных событиях связывания, что особенно полезно при оценке, например, сэндвич-комплексов.
Многопараметрический поверхностный плазмонный резонанс , специальная конфигурация SPR, может использоваться для характеристики слоев и стопок слоев. Помимо кинетики связывания, MP-SPR также может предоставлять информацию о структурных изменениях с точки зрения истинной толщины слоя и показателя преломления. MP-SPR успешно применялся в измерениях липидного нацеливания и разрыва, [18] CVD-осажденного одиночного монослоя графена (3,7Å) [19] , а также полимеров микрометровой толщины. [20]
Наиболее распространенная интерпретация данных основана на формулах Френеля , которые рассматривают сформированные тонкие пленки как бесконечные непрерывные диэлектрические слои. Такая интерпретация может привести к нескольким возможным значениям показателя преломления и толщины. Обычно только одно решение находится в пределах разумного диапазона данных. В многопараметрическом поверхностном плазмонном резонансе две кривые SPR получаются путем сканирования диапазона углов на двух разных длинах волн, что приводит к уникальному решению как для толщины, так и для показателя преломления.
Плазмоны металлических частиц обычно моделируются с помощью теории рассеяния Ми .
Во многих случаях не применяются подробные модели, а датчики калибруются для конкретного применения и используются с интерполяцией в пределах калибровочной кривой.
Благодаря универсальности приборов SPR этот метод хорошо сочетается с другими подходами, что приводит к новым применениям в различных областях, таких как биомедицинские и экологические исследования.
В сочетании с нанотехнологиями биосенсоры SPR могут использовать наночастицы в качестве носителей для терапевтических имплантатов. Например, при лечении болезни Альцгеймера наночастицы могут использоваться для доставки терапевтических молекул целевыми способами. [21] В целом, биосенсоры SPR демонстрируют преимущества по сравнению с другими подходами в области биомедицины, поскольку эта технология не требует маркировки, менее затратна, применима в условиях оказания помощи и способна давать более быстрые результаты для небольших исследовательских групп.
При изучении загрязняющих веществ в окружающей среде приборы SPR можно использовать в качестве замены прежним методам, основанным на хроматографии. Современные исследования загрязнения опираются на хроматографию для мониторинга увеличения загрязнения в экосистеме с течением времени. Когда приборы SPR с конфигурацией призмы Кречмана использовались для обнаружения хлорофена, нового загрязняющего вещества, было продемонстрировано, что SPR имеет такие же уровни точности и достоверности, как и методы хроматографии. [22] Кроме того, зондирование SPR превосходит методы хроматографии благодаря своему высокоскоростному и прямолинейному анализу.
Одним из первых распространенных применений спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса было измерение толщины (и показателя преломления) адсорбированных самоорганизующихся нанопленок на золотых подложках. Резонансные кривые смещаются к большим углам по мере увеличения толщины адсорбированной пленки. Этот пример представляет собой измерение «статического SPR».
Если требуется более высокая скорость наблюдения, можно выбрать угол прямо под точкой резонанса (угол минимального отражения) и измерить изменения отражательной способности в этой точке. Это так называемое измерение «динамического SPR». Интерпретация данных предполагает, что структура пленки не претерпевает существенных изменений во время измерения.
SPR можно использовать для изучения кинетики молекулярных взаимодействий в реальном времени. Определение сродства между двумя лигандами включает установление константы равновесной диссоциации , представляющей собой равновесное значение для коэффициента продукта. Эту константу можно определить с помощью динамических параметров SPR, рассчитанных как скорость диссоциации, деленная на скорость ассоциации.
В этом процессе лиганд иммобилизуется на декстрановой поверхности кристалла SPR. Через систему микропотока раствор с аналитом впрыскивается на покрытую лигандом поверхность. Связывание аналита с лигандом вызывает увеличение сигнала SPR (выраженного в единицах отклика, RU). После времени ассоциации в микрофлюидику вводится раствор без аналита (обычно буфер) для инициирования диссоциации связанного комплекса между лигандом и аналитом. По мере диссоциации аналита от лиганда сигнал SPR уменьшается. Из этих ассоциаций («скорость включения», k a ) и скоростей диссоциации («скорость выключения», k d ) можно рассчитать константу равновесной диссоциации («константу связывания», K D ).
Обнаруженный сигнал SPR является следствием электромагнитной «связь» падающего света с поверхностным плазмоном слоя золота. Это взаимодействие особенно чувствительно к характеристикам слоя на границе раздела золото–раствор, толщина которого обычно составляет всего несколько нанометров. Когда вещества связываются с поверхностью, это изменяет способ отражения света, вызывая изменение угла отражения, который можно измерить как сигнал в экспериментах SPR. Одним из распространенных применений является измерение кинетики взаимодействий антитело-антиген .
Поскольку биосенсоры SPR облегчают измерения при различных температурах, можно провести термодинамический анализ для лучшего понимания изучаемого взаимодействия. Проводя измерения при различных температурах, обычно от 4 до 40 °C, можно связать константы скорости ассоциации и диссоциации с энергией активации и, таким образом, получить термодинамические параметры, включая энтальпию связывания, энтропию связывания, свободную энергию Гиббса и теплоемкость.
Поскольку SPR позволяет осуществлять мониторинг в реальном времени, отдельные шаги в последовательных событиях связывания могут быть тщательно оценены при исследовании пригодности между антителами в конфигурации сэндвича. Кроме того, он позволяет картировать эпитопы, поскольку антитела перекрывающихся эпитопов будут ассоциироваться с ослабленным сигналом по сравнению с теми, которые способны взаимодействовать одновременно.
В последнее время появился интерес к магнитным поверхностным плазмонам. Для этого требуются материалы с большой отрицательной магнитной проницаемостью, свойство, которое только недавно стало доступно с созданием метаматериалов .
Было показано, что наложение графена поверх золота улучшает производительность датчика SPR. [23] Его высокая электропроводность увеличивает чувствительность обнаружения. Большая площадь поверхности графена также облегчает иммобилизацию биомолекул, в то время как его низкий показатель преломления минимизирует их помехи. Повышение чувствительности SPR путем включения графена с другими материалами расширяет потенциал датчиков SPR, делая их практичными в более широком диапазоне приложений. Например, повышенную чувствительность графена можно использовать в сочетании с серебряным датчиком SPR, обеспечивая экономически эффективную альтернативу для измерения уровня глюкозы в моче. [24]
Также было показано, что графен повышает устойчивость SPR-датчиков к высокотемпературному отжигу до 500 °C. [25]
Недавние достижения в технологии SPR привели к появлению новых форматов, расширяющих сферу применения и применимость зондирования SPR. Волоконно-оптический SPR подразумевает интеграцию датчиков SPR на концах оптических волокон, что обеспечивает прямую связь света с поверхностными плазмонами, когда аналиты проходят через полый сердечник SPR. [26] Этот формат обеспечивает повышенную чувствительность и позволяет разрабатывать компактные сенсорные устройства, что делает его особенно ценным для приложений, требующих дистанционного зондирования в полевых условиях. [27] Он также обеспечивает увеличенную площадь поверхности для связывания аналитов с внутренней оболочкой оптоволокна .