Overflateplasmonresonans - Surface plasmon resonance

Overflateplasmonresonans (SPR).

Surface plasmon resonance ( SPR ) er resonansoscillasjon av ledningselektroner ved grensesnittet mellom negativt og positivt permittivitetsmateriale stimulert av innfallende lys. SPR er grunnlaget for mange standardverktøy for å måle adsorpsjon av materiale på plane metall (vanligvis gull eller sølv) overflater eller på overflaten av metall nanopartikler . Det er det grunnleggende prinsippet bak mange fargebaserte biosensorapplikasjoner , forskjellige sensorer på labben og en kiselgur og fotosyntese.

Forklaring

Den overflate plasmon polariton er en ikke-strålende elektromagnetisk overflatebølge som forplanter seg i en retning parallell til den negative permittivitet / dielektrisk materiale grensesnitt. Siden bølgen er på grensen til lederen og det ytre mediet (for eksempel luft, vann eller vakuum), er disse svingningene veldig følsomme for enhver endring av denne grensen, slik som adsorpsjon av molekyler til den ledende overflaten.

For å beskrive eksistensen og egenskapene til overflateplasmon polaritons, kan man velge mellom forskjellige modeller (kvanteteori, Drude-modell , etc.). Den enkleste måten å nærme seg problemet på er å behandle hvert materiale som et homogent kontinuum, beskrevet av en frekvensavhengig relativ permittivitet mellom det ytre mediet og overflaten. Denne mengden, heretter referert til som materialenes " dielektriske funksjon ", er den komplekse permittiviteten . For at begrepene som beskriver den elektroniske overflateplasmonen skal eksistere, må den virkelige delen av lederens dielektriske konstant være negativ og størrelsen må være større enn dielektrikumet. Denne tilstanden er oppfylt i det infrarøde synlige bølgelengdeområdet for luft / metall og vann / metallgrensesnitt (der den virkelige dielektriske konstanten til et metall er negativ og den for luft eller vann er positiv).

LSPRs ( lokaliserte overflateplasmonresonanser ) er kollektive elektronladningssvingninger i metalliske nanopartikler som blir begeistret av lys. De viser forbedret nærfeltamplitude ved resonansbølgelengden. Dette feltet er høyt lokalisert ved nanopartikkelen og forfaller raskt bort fra nanopartikkel / dielektrisk grensesnitt inn i den dielektriske bakgrunnen, selv om spredning av langt felt av partikkelen også forbedres av resonansen. Forbedring av lysintensitet er et veldig viktig aspekt av LSPR og lokalisering betyr at LSPR har svært høy romlig oppløsning (subbølgelengde), bare begrenset av størrelsen på nanopartikler. På grunn av den forbedrede feltamplituden forbedres også effekter som avhenger av amplituden, som magneto-optisk effekt, av LSPR.

Implementeringer

Otto konfigurasjon
Kretschmann-konfigurasjon

For å opphisse overflateplasmon polaritoner på en resonans måte, kan man bruke elektronbombardement eller innfallende lysstråle (synlig og infrarød er typisk). Den innkommende strålen må matche sin fremdrift til plasmonens. I tilfelle av p-polarisert lys (polarisering skjer parallelt med innfallsplanet), er dette mulig ved å føre lyset gjennom en glassblokk for å øke bølgetallet (og momentum ), og oppnå resonansen ved en gitt bølgelengde og vinkel. S-polarisert lys (polarisering skjer vinkelrett på innfallsplanet) kan ikke begeistre elektroniske overflateplasmoner. Elektroniske og magnetiske overflateplasmoner følger følgende dispersjonsforhold :

hvor k ( ) er bølgevektoren, er den relative permittiviteten, og er den relative permeabiliteten til materialet (1: glassblokken, 2: metallfilmen), mens den er vinkelfrekvens og er lysets hastighet i vakuum.

Typiske metaller som støtter overflateplasmoner er sølv og gull, men metaller som kobber, titan eller krom har også blitt brukt.

Når du bruker lys for å stimulere SP-bølger, er det to konfigurasjoner som er velkjente. I Otto-konfigurasjonen belyser lyset veggen til en glassblokk, vanligvis et prisme, og reflekteres helt internt . En tynn metallfilm (for eksempel gull) er plassert nær nok til prismeveggen slik at en unnvikende bølge kan samhandle med plasmabølgene på overflaten og dermed begeistre plasmonene.

I Kretschmann-konfigurasjonen (også kjent som Kretschmann – Raether-konfigurasjon ) fordampes metallfilmen på glassblokken. Lyset lyser igjen opp glassblokken, og en unnvikende bølge trenger gjennom metallfilmen. Plasmoner er begeistret på utsiden av filmen. Denne konfigurasjonen brukes i de fleste praktiske bruksområder.

SPR-utslipp

Når overflatens plasmonbølge samhandler med en lokal partikkel eller uregelmessighet, for eksempel en grov overflate , kan en del av energien sendes ut igjen som lys. Dette utsendte lyset kan oppdages bak metallfilmen fra forskjellige retninger.

applikasjoner

Skjema for en sensor som bruker overflateplasmonresonans

Overflateplasmoner har blitt brukt for å forbedre overflatefølsomheten til flere spektroskopiske målinger, inkludert fluorescens , Ramanspredning og andreharmonisk generasjon . Imidlertid kan SPR-reflektivitetsmålinger i sin enkleste form brukes til å oppdage molekylær adsorpsjon, slik som polymerer, DNA eller proteiner, etc. Teknisk sett er det vanlig å måle vinkelen til minimumsrefleksjon (vinkel med maksimal absorpsjon). Denne vinkelen endres i størrelsesorden 0,1 ° under tynn (omtrent nm tykkelse) filmadsorpsjon. (Se også eksemplene.) I andre tilfeller følges endringene i absorpsjonsbølgelengden. Mekanismen for påvisning er basert på at de adsorberende molekylene forårsaker endringer i den lokale brytningsindeksen, og endrer resonansforholdene til overflateplasmonbølgene. Det samme prinsippet utnyttes i den nylig utviklede konkurransedyktige plattformen basert på tapsløse dielektriske flerlag ( DBR ), som støtter elektromagnetiske bølger på overflaten med skarpere resonanser ( Bloch overflatebølger ).

Hvis overflaten er mønstret med forskjellige biopolymerer, ved bruk av tilstrekkelig optikk og bildesensorer (dvs. et kamera), kan teknikken utvides til overflatebehandling av plasmonresonans (SPRI). Denne metoden gir en høy kontrast av bildene basert på den adsorberte mengden molekyler, noe som ligner på Brewster- vinkelmikroskopi (sistnevnte brukes oftest sammen med et Langmuir – Blodgett-trau ).

For nanopartikler kan lokaliserte overflateplasmonsvingninger gi opphav til de intense fargene på suspensjoner eller soler som inneholder nanopartiklene . Nanopartikler eller nanotråder av edelmetaller oppviser sterke absorpsjonsbånd i det ultrafiolette - synlig lys regime som ikke er til stede i bulk metallkatalysatoren. Denne ekstraordinære absorpsjonsøkningen har blitt utnyttet for å øke lysabsorpsjonen i solceller ved å avsette metall-nanopartikler på celleoverflaten. Energien (fargen) til denne absorpsjonen er forskjellig når lyset er polarisert langs eller vinkelrett på nanotråden. Skift i denne resonansen på grunn av endringer i den lokale brytningsindeksen ved adsorpsjon til nanopartiklene kan også brukes til å oppdage biopolymerer som DNA eller proteiner. Beslektede komplementære teknikker inkluderer plasmonbølgelederresonans, QCM , ekstraordinær optisk overføring og dobbeltpolarisasjonsinterferometri .

SPR immunoanalyse

Den første SPR- immunoanalysen ble foreslått i 1983 av Liedberg, Nylander og Lundström, da av Linköping Institute of Technology (Sverige). De adsorberte human IgG på en sølvfilm på 600 angstrom, og brukte analysen for å oppdage anti-human IgG i vannoppløsning. I motsetning til mange andre immunoanalyser, så som ELISA , er et SPR-immunoassay etikett fri ved at en etikett molekyl ikke er nødvendig for påvisning av analytten. I tillegg kan målingene på SPR følges i sanntid slik at overvåking av individuelle trinn i sekvensielle bindingshendelser er spesielt nyttige i vurderingen av for eksempel sandwichkomplekser.

Materiell karakterisering

Multi-parametrisk overflateplasmonresonans , en spesiell konfigurasjon av SPR, kan brukes til å karakterisere lag og stabler med lag. Foruten bindende kinetikk, kan MP-SPR også gi informasjon om strukturelle endringer når det gjelder lagets sanne tykkelse og brytningsindeks. MP-SPR er blitt brukt med suksess i målinger av lipidmålretting og brudd, CVD-avsatt enkeltmonolag av grafen (3.7Å) samt mikrometer tykke polymerer.

Datatolkning

Den vanligste datatolkningen er basert på Fresnel-formlene , som behandler de dannede tynne filmene som uendelige, kontinuerlige dielektriske lag. Denne tolkningen kan resultere i flere mulige brytningsindekser og tykkelsesverdier. Imidlertid er vanligvis bare én løsning innenfor det rimelige dataområdet. I multi-parametrisk overflateplasmonresonans erverves to SPR-kurver ved å skanne en rekke vinkler i to forskjellige bølgelengder, noe som resulterer i en unik løsning for både tykkelse og brytningsindeks.

Metallpartikkelplasmoner modelleres vanligvis ved hjelp av Mie-spredningsteorien .

I mange tilfeller brukes ingen detaljerte modeller, men sensorene er kalibrert for den spesifikke applikasjonen, og brukes med interpolering innenfor kalibreringskurven.

Eksempler

Lag for lag selvmontering

SPR-kurver som er målt under adsorpsjon av en polyelektrolytt og deretter et leiremineral selv-montert film på et tynt (ca. 38 nm) gull sensor.

En av de første vanlige anvendelsene av overflateplasmonresonansspektroskopi var måling av tykkelse (og brytningsindeks) av adsorberte, selvmonterte nanofilmer på gullsubstrater. Resonanskurvene skifter til høyere vinkler når tykkelsen på den adsorberte filmen øker. Dette eksemplet er en 'statisk SPR' måling.

Når høyere hastighetsobservasjon er ønsket, kan man velge en vinkel rett under resonanspunktet (vinkelen til minimumsreflektans), og måle reflektivitetsendringene på det punktet. Dette er den såkalte 'dynamiske SPR' måling. Tolkningen av dataene forutsetter at filmens struktur ikke endres vesentlig under målingen.

Bindende konstant besluttsomhet

Assosiasjon og dissosiasjon signal
Eksempel på produksjon fra Biacore

Når affiniteten av to ligander er ikke bestemt, den likevekts -dissosiasjonskonstanten må bestemmes. Det er likevektsverdien for produktkvotienten. Denne verdien kan også bli funnet ved hjelp av de dynamiske SPR-parametrene, og som i en hvilken som helst kjemisk reaksjon er det dissosieringshastigheten delt på assosiasjonshastigheten.

For dette blir en agnligand immobilisert på dextranoverflaten til SPR-krystallet. Gjennom et mikroflytsystem injiseres en løsning med bytteanalytten over agnelaget. Når bytteanalytten binder agnliganden, observeres en økning i SPR-signal (uttrykt i responsenheter, RU). Etter ønsket assosiasjonstid injiseres en løsning uten byttedyranalytten (vanligvis bufferen) på mikrofluidikken som dissosierer det bundne komplekset mellom agnligand og byttedyranalyt. Nå som byttedyranalytten skiller seg fra agnliganden, observeres en reduksjon i SPR-signal (uttrykt i resonansenheter, RU). Fra disse assosiasjonen ('on rate', k a ) og dissociation rates ('off rate', k d ) kan likevekt dissosiasjonskonstanten ('bindingskonstant', K D ) beregnes.

Det faktiske SPR-signalet kan forklares med den elektromagnetiske 'koblingen' av det innfallende lyset med overflateplasmonet i gulllaget. Dette plasmonet kan påvirkes av laget bare noen få nanometer over gull-løsningsgrensesnittet, dvs. agnproteinet og muligens bytteproteinet. Binding gjør at refleksjonsvinkelen endres;

Termodynamisk analyse

Da SPR-biosensorer letter målinger ved forskjellige temperaturer, kan termodynamisk analyse utføres for å oppnå bedre forståelse av den studerte interaksjonen. Ved å utføre målinger ved forskjellige temperaturer, vanligvis mellom 4 og 40 ° C, er det mulig å relatere assosiasjon og dissosiasjonskonstanter med aktiveringsenergi og derved oppnå termodynamiske parametere inkludert bindende entalpi, bindingsentropi, Gibbs fri energi og varmekapasitet.

Parvis epitopkartlegging

Siden SPR tillater sanntidsovervåking, kan individuelle trinn i sekvensielle bindingshendelser vurderes grundig når man undersøker egnetheten mellom antistoffer i en sandwichkonfigurasjon. I tillegg tillater det kartlegging av epitoper da antistoffer mot overlappende epitoper vil være assosiert med et dempet signal sammenlignet med de som er i stand til å samhandle samtidig.

Magnetisk plasmonresonans

Nylig har det vært interesse for magnetiske overflateplasmoner. Disse krever materialer med stor negativ magnetisk permeabilitet, en egenskap som bare nylig er gjort tilgjengelig med konstruksjon av metamaterialer .

Se også

Referanser

Videre lesning