表面等离激元共振成像

字数 914 2025-11-26 04:29:24

表面等离激元共振成像

基本原理：表面等离激元共振（SPR）是一种光学现象，当入射光在金属-电介质界面发生全反射时，会激发金属表面的自由电子集体振荡（即表面等离激元）。若入射光的波矢与表面等离激元的波矢匹配，能量会共振耦合，导致反射光强度显著减弱。SPR成像技术通过探测反射光强度的空间分布，将共振条件的变化转化为可视化的二维图像。
关键参数与共振条件：
- 波矢匹配：共振需满足 \(k_{\text{SP}} = k_x = \frac{2\pi}{\lambda} n_p \sin\theta\)，其中 \(k_{\text{SP}}\) 为表面等离激元波矢，\(k_x\) 为入射光平行于界面的波矢分量，\(n_p\) 为棱镜折射率，\(\theta\) 为入射角，\(\lambda\) 为光波长。
- 灵敏度来源：共振角或共振波长对界面折射率的微小变化高度敏感（例如分子吸附导致的局部折射率改变）。
成像系统构成：
- 光源与棱镜：常用单色光（如激光）通过高折射率棱镜耦合至金属薄膜（通常为金或银）。
- 检测器：CCD或CMOS相机采集反射光的空间强度分布，生成灰度或伪彩图像。
- 流体系统：微流控通道控制样品注入，实现实时监测分子结合过程。
动态过程监测：
- 结合动力学：通过时间序列图像分析分子吸附/解吸附速率（如抗体-抗原相互作用），计算结合常数 \(k_{\text{on}}\) 和解离常数 \(k_{\text{off}}\)。
- 空间分辨率：可达微米级，用于研究细胞膜上蛋白质分布或材料表面不均匀性。
应用拓展：
- 生物传感：无标记检测DNA杂交、蛋白质相互作用，灵敏度可达pg/mm²级。
- 材料表征：分析聚合物薄膜厚度、纳米粒子吸附行为。
- 细胞研究：实时观察细胞粘附过程中膜受体聚集的时空变化。
技术局限与改进：
- 穿透深度限制：表面等离激元的衰减场深度约200 nm，仅探测近表面现象。
- 分辨率提升：结合显微物镜（SPRi显微镜）或结构光照明显微术，将分辨率提升至亚微米级。
- 多元分析：通过波长调制或角度扫描，同时监测多个分析物点位。

表面等离激元共振成像基本原理：表面等离激元共振（SPR）是一种光学现象，当入射光在金属-电介质界面发生全反射时，会激发金属表面的自由电子集体振荡（即表面等离激元）。若入射光的波矢与表面等离激元的波矢匹配，能量会共振耦合，导致反射光强度显著减弱。SPR成像技术通过探测反射光强度的空间分布，将共振条件的变化转化为可视化的二维图像。关键参数与共振条件：波矢匹配：共振需满足 \( k_ {\text{SP}} = k_ x = \frac{2\pi}{\lambda} n_ p \sin\theta \)，其中 \( k_ {\text{SP}} \) 为表面等离激元波矢，\( k_ x \) 为入射光平行于界面的波矢分量，\( n_ p \) 为棱镜折射率，\( \theta \) 为入射角，\( \lambda \) 为光波长。灵敏度来源：共振角或共振波长对界面折射率的微小变化高度敏感（例如分子吸附导致的局部折射率改变）。成像系统构成：光源与棱镜：常用单色光（如激光）通过高折射率棱镜耦合至金属薄膜（通常为金或银）。检测器：CCD或CMOS相机采集反射光的空间强度分布，生成灰度或伪彩图像。流体系统：微流控通道控制样品注入，实现实时监测分子结合过程。动态过程监测：结合动力学：通过时间序列图像分析分子吸附/解吸附速率（如抗体-抗原相互作用），计算结合常数 \( k_ {\text{on}} \) 和解离常数 \( k_ {\text{off}} \)。空间分辨率：可达微米级，用于研究细胞膜上蛋白质分布或材料表面不均匀性。应用拓展：生物传感：无标记检测DNA杂交、蛋白质相互作用，灵敏度可达pg/mm²级。材料表征：分析聚合物薄膜厚度、纳米粒子吸附行为。细胞研究：实时观察细胞粘附过程中膜受体聚集的时空变化。技术局限与改进：穿透深度限制：表面等离激元的衰减场深度约200 nm，仅探测近表面现象。分辨率提升：结合显微物镜（SPRi显微镜）或结构光照明显微术，将分辨率提升至亚微米级。多元分析：通过波长调制或角度扫描，同时监测多个分析物点位。