表面等离激元共振传感

表面等离激元共振（SPR）是一种光学现象，发生在金属（如金或银）薄膜与电介质（如空气或水）的界面处。当特定角度和波长的偏振光照射界面时，其能量会耦合到金属表面的自由电子中，形成集体振荡，即表面等离激元（SPP）。在共振条件下，入射光的能量被强烈吸收，导致反射光强度显著下降。SPR传感技术通过监测共振条件的变化（如角度、波长或强度的偏移）来检测界面处折射率的微小变化，从而实现高灵敏度的实时、无标记分析。

1. 金属中的自由电子与电磁波相互作用：
   金属内部存在大量自由电子，它们像气体一样在正离子晶格中移动。当电磁波（如光）照射到金属表面时，其振荡电场会驱动自由电子发生集体运动。对于块体金属，这通常导致光的反射（金属光泽）。但在特定条件下，这种相互作用可在表面产生局域化的电子振荡。

2. 表面等离激元（SPP）的形成：
   在金属-电介质界面，自由电子的集体振荡与电磁场耦合，形成沿界面传播的电磁表面波，即SPP。SPP的电场在垂直于界面的方向呈指数衰减，其能量被限制在界面附近极小的区域内（通常小于光的波长），这种现象称为场局域效应。SPP的传播常数（决定其波长和传播特性）取决于金属和电介质的介电常数。

3. 共振条件的激发：
   SPP不能由光直接激发，因为光的波矢量（动量）小于SPP的波矢量。为了匹配动量，常用棱镜耦合（如Kretschmann结构）：在棱镜底部镀上金属薄膜，光通过棱镜全反射入射到金属膜，产生的消逝场穿透金属膜，在另一侧界面激发SPP。当光的波矢量与SPP的波矢量匹配时，发生能量转移，导致反射光强度急剧下降，形成共振峰。

4. 折射率敏感性与传感原理：
   SPR共振条件（如共振角或共振波长）强烈依赖于界面处电介质的折射率。任何靠近界面的物质（如吸附的分子）改变局部折射率时，共振条件会发生偏移。通过实时监测共振角的移动，可以精确测定折射率变化，从而推断分子吸附、结合或反应的动力学过程。

5. SPR传感器的应用与优势：
   SPR传感广泛应用于生物分子相互作用研究（如抗体-抗原结合）、药物筛选、环境监测和食品安全检测。其核心优势包括：

   • 无标记检测：无需荧光或放射性标记，保持分子天然活性。
   • 实时监测：可跟踪结合和解离过程的动力学参数（如速率常数）。
   • 高灵敏度：可检测皮摩尔（pM）级别的浓度变化。
   • 样品消耗低：微流控系统集成实现自动化分析。