使用SPR光谱法的无标签化学和生物传感

表面等离子体共振（SPR）光谱及其对应物，局部表面等离子体共振（LSPR）光谱法被称为无标记化学和生物传感的必不可少的技术，以及纳米结构的表征。

SPR光谱法最常用于生物传感学科，尤其是在结合亲和力的研究中，例如用于抗体 - 抗原相互作用。

相反，LSPR光谱法主要用于检测痕量分子的信号增强方法。

在这些应用中，LSPR是技术背后的主要物理过程，例如表面增强的拉曼，吸收，荧光和红外光谱镜。

本文将概述表面等离子体的基本物理学以及其波长依赖性相互作用。

然后，LSPR和SPR之间的变化将通过说明实现信号增强的过程来检查。然后将提出两个简短的案例研究，以显示LSPR和SPR光谱的应用。

表面等离子体物理学

传导带电子的一致振荡以及介电和金属之间的界面产生称为表面等离子体的表面波。

与任何替代电磁波一样，表面等离子体具有相关的波形。波形的大小取决于其培养的介质的相对介电常数（也称为介电常数）。

相对介电常数与非磁性材料中的折射率指数的平方根匹配。亚博网站下载因此，相对介电常数和折射率具有等效的波长依赖性。

如果入射光波形的平行成分与表面等离子体的波形共鸣，则该依赖性将产生两个波的波长依赖性破坏性或建设性干扰。

在某些情况下，LSPR和SPR会导致传输或反射频谱中波长的减小或增加。

传统的SPR传感器包括位于介电材料（通常是玻璃）上的薄金属膜（通常是银或金）。通过总内反射（TIR），宽带光集中在界面上。

标准的SPR传感器实现了利用棱镜的TIR，例如FT-IR中的ATR（衰减总反射）尖端。某些方法将在稍后再详细描述，它利用涂层光纤内部的TIR生成SPR。

在SPR光谱法中，传感器暴露于可以与传感器键合的分析物中，从而导致相对介电常数的差异很小。反过来，这修改了表面等离子体的电阻频率。

一旦入射光与表面等离子体居住后，SPR中检测到的光谱将下降与破坏性干扰有关的光谱。

随着传感器收集越来越多的分析物，传输光谱的局部最小值将改变，这可以实现高度敏感的测量。

如高斯定律所述，导体的表面电荷密度与其半径成反比。LSPR中使用纳米制作方法来获得这种定位效应的好处。

本文未涵盖对这种效果背后物理学的完整描述。尽管如此，至关重要的是要了解异常高的表面电荷密度可以产生显着的信号增强。

只有当底物相对介电常数的实际部分是环境的倍数时，才能实现这种增强，从而显着提高了信号的强度。

这种相关是SPR和LSPR经常使用银和黄金的原因。银具有-11.755 + 0.37038i在532 nm时的相对介电常数，黄金的相对介电常数为-22.855 + 1.4245一世在785 nm。这就是为什么在表面增强的拉曼光谱法（SERS）中，银通常用于532 nm激发和785 nm激发的原因。

由于前面引用的缩放因子的大小依赖于底物的几何形状（通常在两到二十之间），因此可以根据纳米结构的形状来调整“增强”波长。

这种几何依赖性也可用于纳米材料的表征。亚博网站下载

实例探究

光纤SPR探针

由于将SPR传感器集成到危险环境中，现在可以在危险环境中使用目标传感器光纤探针。

这些探针通常是通过从光纤电缆的一段中卸下覆层，然后用金属层和辩证层涂覆该区域的。

德里印度理工学院的一群研究人员发表的最新结果评估了这种方法。一层银和一层氧化锌用于覆盖纤维芯以鉴定氯气¹。

在该实验中，使用Avantes Avalight-Hal-Hal-Hal-Hal钨灯，将宽带灯耦合到探针中。

氯化锌的产生是由氯气分子与氧化锌的相互作用引起的。这改变了相对介电常数，随后改变了表面等离子体的驻留波长。

当一小部分光线到达纤维覆层内部时，检测到变速光谱的变化。使用AVANTES AVASPEC-ULS3648-USB2光纤耦合光谱仪进行了量化。

图1证明了量化光谱是氯浓度的函数，显示了10 ppm至100 ppm之间的检测范围。

图1。各种浓度的氯气（左）和峰值波长移位的传输光谱随浓度的函数（右）¹。

LSPR的纳米特征

由于它高度依赖于底物或粒子的纳米结构，因此LSPR光谱是一种有效的表征方法。

匈牙利的研究人员最近利用了这样一个事实，即LSPR吸光度光谱的线宽度非常依赖于纳米颗粒均匀性²。

在该实验中，将四个不同的金纳米颗粒厚度溅射。yabo214每个估计的层厚度为30 nm，15 nm，12.5 nm和7.5 nm。

An Avantes Avalight DHS halogen light source and an Avaspec-ULS2048-4DT-USB2 (four-channel high-resolution spectrometer) were employed to quantify the absorption spectra of the four samples, in air (n = 1), water (n=1.33）和油（n = 1.616）。

图2概述了数据，该数据显示了表面等离子体共振与层厚度之间的FWHM之间的关系。这表明随着层厚度的增加，纳米颗粒大小的变化量较大。

图2。全宽度最大最大（FWHM）的峰宽度是四个厚度不同的溅射金纳米颗粒和环境折射指数的函数yabo214²。

最后的想法

这两个案例研究只是LSPR和SPR光谱法的两种应用范围，用于从化学和生物传感器到材料表征的田地。亚博网站下载

低噪声，高分辨率模块化纤维耦合光谱仪的功能可以帮助促进最新的LSPR和SPR传感器，从而适应实验室的现场。

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上述光谱仪都可以集成到交钥匙实验室传感设备中，并且可以作为OEM模块。它们还可以作为当前实验室设备的附加操作。app亚博体育

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参考和进一步阅读

1. USHA，S.P.，Mishra，S.K。和Gupta，B.D.，2015年。使用银和氧化锌的氯气的制造和表征，用于检测氯气的光纤传感器。亚博网站下载材料，8（5），第2204-2216页。
2. Bonyár，A.，Wimmer，B。和Csarnovics，I.，2014年5月。基于金纳米颗粒的局部表面等离子体共振传感器的开发yabo214。在2014年第37届国际电子技术春季研讨会论文集（第369-374页）。IEEE。

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