Oberflächenplasmonenresonanz - Surface plasmon resonance

Oberflächenplasmonenresonanz (SPR).

Oberflächenplasmonresonanz ( SPR ) ist die Resonanzschwingung von Leitungselektronen an der Grenzfläche zwischen negativem und positivem Permittivitätsmaterial , das durch einfallendes Licht stimuliert wird. SPR ist die Grundlage vieler Standardwerkzeuge zur Messung der Adsorption von Material auf planaren Metalloberflächen (typischerweise Gold oder Silber) oder auf der Oberfläche von Metallnanopartikeln . Es ist das Grundprinzip vieler farbbasierter Biosensoranwendungen , verschiedener Lab-on-a-Chip- Sensoren und der Diatomeen-Photosynthese.

Erläuterung

Die Oberflächenplasmonenpolariton ist eine nicht strahlende elektromagnetische Oberflächenwelle , die sich in einer Richtung parallel zur Grenzfläche negativer Permittivität/Dielektrikum ausbreitet. Da sich die Welle an der Grenze zwischen Leiter und externem Medium befindet (z. B. Luft, Wasser oder Vakuum), reagieren diese Schwingungen sehr empfindlich auf Änderungen dieser Grenze, beispielsweise auf die Adsorption von Molekülen an der leitenden Oberfläche.

Um die Existenz und Eigenschaften von Oberflächenplasmonenpolaritonen zu beschreiben, kann man aus verschiedenen Modellen (Quantentheorie, Drude-Modell , etc.) wählen . Der einfachste Weg, sich dem Problem zu nähern, besteht darin, jedes Material als homogenes Kontinuum zu behandeln, das durch eine frequenzabhängige relative Dielektrizitätskonstante zwischen dem äußeren Medium und der Oberfläche beschrieben wird. Diese Größe, die im Folgenden als " Dielektrizitätsfunktion " der Materialien bezeichnet wird , ist die komplexe Permittivität . Damit die Terme, die das elektronische Oberflächenplasmon beschreiben , existieren, muss der Realteil der Dielektrizitätskonstante des Leiters negativ sein und sein Betrag muss größer sein als der des Dielektrikums. Diese Bedingung ist im Infrarot-sichtbaren Wellenlängenbereich für Luft/Metall- und Wasser/Metall-Grenzflächen erfüllt (wo die reale Dielektrizitätskonstante eines Metalls negativ und die von Luft oder Wasser positiv ist).

LSPRs ( Localized Surface Plasmon Resonances) sind kollektive Elektronenladungsschwingungen in metallischen Nanopartikeln, die durch Licht angeregt werden. Sie weisen eine verstärkte Nahfeldamplitude bei der Resonanzwellenlänge auf. Dieses Feld ist am Nanopartikel stark lokalisiert und zerfällt schnell von der Nanopartikel/Dielektrikum-Grenzfläche in den dielektrischen Hintergrund, obwohl die Fernfeldstreuung durch das Partikel auch durch die Resonanz verstärkt wird. Die Verbesserung der Lichtintensität ist ein sehr wichtiger Aspekt von LSPRs und die Lokalisierung bedeutet, dass das LSPR eine sehr hohe räumliche Auflösung (Subwellenlänge) hat, die nur durch die Größe der Nanopartikel begrenzt ist. Aufgrund der verstärkten Feldamplitude werden auch amplitudenabhängige Effekte wie der magnetooptische Effekt durch LSPRs verstärkt.

Implementierungen

Otto-Konfiguration

Kretschmann-Konfiguration

Um Oberflächenplasmonenpolaritonen resonant anzuregen, kann man Elektronenbeschuss oder einfallenden Lichtstrahl (sichtbar und infrarot sind typisch) verwenden. Der einfallende Strahl muss seinen Impuls dem des Plasmonen anpassen. Bei p-polarisiertem Licht (Polarisation erfolgt parallel zur Einfallsebene) ist dies möglich, indem das Licht durch einen Glasblock geleitet wird, um die Wellenzahl (und den Impuls ) zu erhöhen und die Resonanz bei einer gegebenen Wellenlänge und . zu erreichen Winkel. S-polarisiertes Licht (die Polarisation erfolgt senkrecht zur Einfallsebene) kann keine elektronischen Oberflächenplasmonen anregen. Elektronische und magnetische Oberflächenplasmonen gehorchen der folgenden Dispersionsbeziehung :

k(\omega)={\frac {\omega }{c}}{\sqrt {\frac {\varepsilon_{1}\varepsilon_{2}\mu_{1}\mu_{2 }}{\varepsilon_{1}\mu_{1}+\varepsilon_{2}\mu_{2}}}}

Dabei ist k( ) der Wellenvektor, die relative Permittivität und die relative Permeabilität des Materials (1: der Glasblock, 2: der Metallfilm), während die Winkelfrequenz und die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. $\omega$ $\epsilon$ ${\displaystyle\mu}$ $\omega$ ${c}$

Typische Metalle, die Oberflächenplasmonen unterstützen, sind Silber und Gold, aber auch Metalle wie Kupfer, Titan oder Chrom wurden verwendet.

Bei der Verwendung von Licht zum Anregen von SP-Wellen gibt es zwei bekannte Konfigurationen. In der Otto-Konfiguration beleuchtet das Licht die Wand eines Glasblocks, typischerweise ein Prisma, und wird intern total reflektiert . Ein dünner Metallfilm (zB Gold) wird nahe genug an der Prismenwand positioniert, damit eine evaneszente Welle mit den Plasmawellen an der Oberfläche wechselwirken und so die Plasmonen anregen kann.

In der Kretschmann-Konfiguration (auch als Kretschmann-Raether-Konfiguration bekannt ) wird der Metallfilm auf den Glasblock aufgedampft. Das Licht beleuchtet wieder den Glasblock und eine evaneszente Welle durchdringt die Metallfolie. An der Außenseite des Films werden die Plasmonen angeregt. Diese Konfiguration wird in den meisten praktischen Anwendungen verwendet.

SPR-Emission

Wenn die Oberflächenplasmonenwelle mit einem lokalen Partikel oder einer Unregelmäßigkeit wie einer rauen Oberfläche wechselwirkt , kann ein Teil der Energie als Licht wieder emittiert werden. Dieses emittierte Licht kann aus verschiedenen Richtungen hinter der Metallfolie detektiert werden .

Anwendungen

Schema für einen Sensor, der Oberflächenplasmonenresonanz nutzt

Oberflächenplasmonen wurden verwendet, um die Oberflächenempfindlichkeit mehrerer spektroskopischer Messungen zu verbessern, einschließlich Fluoreszenz , Raman-Streuung und Erzeugung zweiter Harmonischer . In ihrer einfachsten Form können SPR-Reflektivitätsmessungen jedoch verwendet werden, um molekulare Adsorption wie Polymere, DNA oder Proteine usw. nachzuweisen. Technisch ist es üblich, den Winkel der minimalen Reflexion (Winkel der maximalen Absorption) zu messen. Dieser Winkel ändert sich während der Adsorption eines dünnen Films (etwa nm Dicke) in der Größenordnung von 0,1°. (Siehe auch die Beispiele.) In anderen Fällen wird die Änderung der Absorptionswellenlänge verfolgt. Der Nachweismechanismus beruht darauf, dass die adsorbierenden Moleküle Änderungen des lokalen Brechungsindex verursachen, wodurch sich die Resonanzbedingungen der Oberflächenplasmonenwellen ändern. Das gleiche Prinzip wird in der kürzlich entwickelten Wettbewerbsplattform basierend auf verlustfreien dielektrischen Multilayern ( DBR ) genutzt, die elektromagnetische Oberflächenwellen mit schärferen Resonanzen ( Bloch-Oberflächenwellen ) unterstützen.

Wenn die Oberfläche mit verschiedenen Biopolymeren strukturiert wird, kann die Technik unter Verwendung geeigneter Optiken und bildgebender Sensoren (z. B. einer Kamera) auf die Oberflächenplasmonenresonanz-Bildgebung (SPRI) erweitert werden. Diese Methode liefert einen hohen Kontrast der Bilder basierend auf der adsorbierten Menge an Molekülen, ähnlich der Brewster-Winkelmikroskopie (letztere wird am häufigsten zusammen mit einem Langmuir-Blodgett-Trog verwendet ).

Bei Nanopartikeln können lokalisierte Oberflächenplasmonenoszillationen zu intensiven Farben von Suspensionen oder Solen führen, die die Nanopartikel enthalten . Nanopartikel oder Nanodrähte aus Edelmetallen weisen starke Absorptionsbanden im ultravioletten – sichtbaren Lichtbereich auf , die im Volumenmetall nicht vorhanden sind. Diese außergewöhnliche Absorptionserhöhung wurde ausgenutzt, um die Lichtabsorption in Photovoltaikzellen durch Abscheidung von Metallnanopartikeln auf der Zelloberfläche zu erhöhen. Die Energie (Farbe) dieser Absorption unterscheidet sich, wenn das Licht entlang oder senkrecht zum Nanodraht polarisiert wird. Verschiebungen dieser Resonanz aufgrund von Änderungen des lokalen Brechungsindex bei der Adsorption an die Nanopartikel können auch zum Nachweis von Biopolymeren wie DNA oder Proteinen verwendet werden. Verwandte komplementäre Techniken umfassen Plasmonenwellenleiterresonanz, QCM , außerordentliche optische Übertragung und Dual-Polarisations-Interferometrie .

SPR-Immunoassay

Der erste SPR- Immunoassay wurde 1983 von Liedberg, Nylander und Lundström, damals vom Linköping Institute of Technology (Schweden), vorgeschlagen. Sie adsorbierten menschliches IgG auf einem 600-Angström-Silberfilm und verwendeten den Assay zum Nachweis von anti-menschlichem IgG in Wasserlösung. Im Gegensatz zu vielen anderen Immuntests, wie ELISA , ein SPR - Immunoassay ist Etikett frei , dass ein Markierungsmolekül zum Nachweis des Analyten nicht erforderlich. Darüber hinaus können die SPR-Messungen in Echtzeit verfolgt werden, was die Überwachung einzelner Schritte in sequentiellen Bindungsereignissen ermöglicht, die insbesondere bei der Bewertung von beispielsweise Sandwich-Komplexen nützlich sind.

Materialcharakterisierung

Die multiparametrische Oberflächenplasmonresonanz , eine spezielle Konfiguration von SPR, kann zur Charakterisierung von Schichten und Schichtstapeln verwendet werden. Neben der Bindungskinetik kann MP-SPR auch Informationen über strukturelle Veränderungen in Bezug auf die wahre Schichtdicke und den Brechungsindex liefern. MP-SPR wurde erfolgreich bei Messungen von Lipid-Targeting und -Bruch, CVD-abgeschiedenen einzelnen Monolagen von Graphen (3,7Å) sowie mikrometerdicken Polymeren eingesetzt.

Dateninterpretation

Die gebräuchlichste Dateninterpretation basiert auf den Fresnel-Formeln , die die gebildeten Dünnfilme als unendliche, kontinuierliche dielektrische Schichten behandeln. Diese Interpretation kann zu mehreren möglichen Brechungsindex- und Dickenwerten führen. In der Regel liegt jedoch nur eine Lösung im vertretbaren Datenbereich. Bei der multiparametrischen Oberflächenplasmonenresonanz werden zwei SPR-Kurven durch Scannen eines Winkelbereichs bei zwei verschiedenen Wellenlängen erfasst, was zu einer einzigartigen Lösung für Dicke und Brechungsindex führt.

Metallpartikel-Plasmonen werden normalerweise unter Verwendung der Mie-Streuungstheorie modelliert .

In vielen Fällen werden keine detaillierten Modelle verwendet, sondern die Sensoren werden für die spezifische Anwendung kalibriert und mit Interpolation innerhalb der Kalibrierkurve verwendet.

Beispiele

Schichtweise Selbstorganisation

SPR - Kurven während der Adsorption eines gemessenen Polyelektrolyt und dann einem clay mineral selbstorganisierenden Film auf eine dünne (ca. 38 nm) Gold-Sensor.

Eine der ersten verbreiteten Anwendungen der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie war die Messung der Dicke (und des Brechungsindex) von adsorbierten selbstorganisierten Nanofilmen auf Goldsubstraten. Die Resonanzkurven verschieben sich zu höheren Winkeln, wenn die Dicke des adsorbierten Films zunimmt. Dieses Beispiel ist eine 'statische SPR'-Messung.

Wenn eine Beobachtung mit höherer Geschwindigkeit gewünscht wird, kann man einen Winkel direkt unter dem Resonanzpunkt (der Winkel des minimalen Reflexionsvermögens) wählen und die Reflexionsvermögensänderungen an diesem Punkt messen. Dies ist die sogenannte „dynamische SPR“-Messung. Bei der Interpretation der Daten wird davon ausgegangen, dass sich die Struktur des Films während der Messung nicht wesentlich ändert.

Verbindliche Konstantenbestimmung

Assoziations- und Dissoziationssignal

Beispiel für die Ausgabe von Biacore

Wenn die Affinität von zwei Liganden bestimmt werden soll, das Gleichgewicht Dissoziationskonstante ermittelt werden. Es ist der Gleichgewichtswert für den Produktquotienten. Dieser Wert kann auch unter Verwendung der dynamischen SPR-Parameter ermittelt werden und ist wie bei jeder chemischen Reaktion die Dissoziationsrate geteilt durch die Assoziationsrate.

Dazu wird ein Köderligand auf der Dextranoberfläche des SPR-Kristalls immobilisiert. Durch ein Microflow- System wird eine Lösung mit dem Beuteanalyten über die Köderschicht injiziert. Wenn der Beuteanalyt den Köderliganden bindet, wird ein Anstieg des SPR-Signals (ausgedrückt in Reaktionseinheiten, RU) beobachtet. Nach der gewünschten Assoziationszeit wird eine Lösung ohne den Beuteanalyten (normalerweise der Puffer) auf die Mikrofluidik injiziert, die den gebundenen Komplex zwischen Köderliganden und Beuteanalyten dissoziiert. Wenn nun der Beuteanalyt vom Köderliganden dissoziiert, wird eine Abnahme des SPR-Signals (ausgedrückt in Resonanzeinheiten, RU) beobachtet. Aus diesen Assoziations- ('on rate', $k a$ ) und Dissoziationsraten ('off rate', $k d$ ) kann die Gleichgewichtsdissoziationskonstante ('binding constant', $K D$ ) berechnet werden.

Das tatsächliche SPR-Signal kann durch die elektromagnetische "Kopplung" des einfallenden Lichts mit dem Oberflächenplasmon der Goldschicht erklärt werden. Dieses Plasmon kann durch die Schicht, die nur wenige Nanometer über der Gold-Lösungs-Grenzfläche liegt, dh das Köderprotein und möglicherweise das Beuteprotein, beeinflusst werden. Die Bindung bewirkt eine Änderung des Reflexionswinkels;

K_{D}={\frac {k_{\text{d}}}{k_{\text{a}}}}

Thermodynamische Analyse

Da SPR-Biosensoren Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen ermöglichen, kann eine thermodynamische Analyse durchgeführt werden, um ein besseres Verständnis der untersuchten Wechselwirkung zu erhalten. Durch die Durchführung von Messungen bei verschiedenen Temperaturen, typischerweise zwischen 4 und 40 °C, ist es möglich, Assoziations- und Dissoziationsratenkonstanten mit der Aktivierungsenergie in Beziehung zu setzen und dadurch thermodynamische Parameter wie Bindungsenthalpie, Bindungsentropie, Gibbssche freie Energie und Wärmekapazität zu erhalten.

Paarweises Epitop-Mapping

Da SPR eine Echtzeitüberwachung ermöglicht, können einzelne Schritte in sequentiellen Bindungsereignissen gründlich bewertet werden, wenn die Eignung zwischen Antikörpern in einer Sandwich-Konfiguration untersucht wird. Darüber hinaus ermöglicht es die Kartierung von Epitopen, da Antikörper von überlappenden Epitopen mit einem abgeschwächten Signal im Vergleich zu denen verbunden sind, die gleichzeitig wechselwirken können.

Magnetische Plasmonresonanz

In letzter Zeit besteht ein Interesse an magnetischen Oberflächenplasmonen. Diese erfordern Materialien mit großer negativer magnetischer Permeabilität, eine Eigenschaft, die erst seit kurzem mit der Konstruktion von Metamaterialien verfügbar ist .

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Eine Auswahl kostenloser Veröffentlichungen zum Thema Plasmonik im New Journal of Physics
Heinz Raether (1988). „Oberflächenplasmonen auf glatten und rauen Oberflächen und auf Gittern“. Springer Trakte in der modernen Physik . 111 . Bibcode : 1988STMP..111.....R . doi : 10.1007/BFb0048317 . ISBN 978-3-540-17363-2.
Stefan Maier (2007). Plasmonik: Grundlagen und Anwendungen . Springer. ISBN 978-0-387-33150-8.
Richard B. M. Schasfoort; Anna J Tudos, Hrsg. (2008). Handbuch der Oberflächenplasmonresonanz . RSC-Veröffentlichung. ISBN 978-0-85404-267-8.

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