表面等离激元传感器 表面等离激元传感器是一种基于表面等离激元共振（SPR）现象的高灵敏度光学传感技术。要理解它，我们首先需要构建其物理基础。 核心物理现象：表面等离激元共振 首先，想象一下金属（如金、银）中存在大量自由电子，它们像一种电子气体（等离子体）一样在正离子晶格背景中运动。 当一束特定波长的光照射到金属与电介质（如空气、水）的界面时，光波的电磁场会与金属表面的这些自由电子发生相互作用。 在特定的条件（入射角、波长）下，光子的能量会有效地耦合给金属表面的自由电子，引发它们沿着界面方向发生集体相干振荡。这种电子密度的集体振荡波，就称为表面等离激元。 当光波的波矢量与表面等离激元的波矢量匹配时，会发生共振，即表面等离激元共振。此时，光能量被大量吸收，导致反射光强度出现一个显著的下降（即共振谷）。 共振条件的敏感性 表面等离激元是一种沿着界面传播的电磁波，其场强在垂直于界面的方向上呈指数衰减。这意味着它的能量被高度局限在界面附近极小的范围内（通常约几百纳米）。 正是这种局域场特性，使得SPR对界面处任何微小的变化都极其敏感。任何改变界面附近折射率的因素，都会直接改变表面等离激元的波矢量，从而改变共振发生的条件（所需的入射角或波长）。 传感器的构建与工作流程 结构 ：最常见的SPR传感器采用“棱镜耦合”结构（克雷奇曼构型）。一层薄金属膜（约50纳米厚）被镀在棱镜底部，待分析的样品（如溶液）与金属膜的另一面接触。 测量 ：一束偏振光通过棱镜照射到金属膜上。通过精确扫描入射角或波长，探测器会记录反射光强度谱，并找到那个共振角或共振波长。 传感过程 ： a. 初始基准 ：首先在纯净的溶剂环境下测量，得到一个共振信号（如角度θ₀）。 b. 待测物引入 ：将含有待测分子（分析物）的溶液引入，流经金属膜表面。 c. 结合事件 ：如果金属膜表面已固定了能特异性捕获分析物的探针分子，分析物就会结合到膜表面上。 d. 信号变化 ：分子结合导致界面处的质量增加和局部折射率增大。这一微小变化会立即改变共振条件，导致共振角发生移动（例如，从θ₀移动到θ₁）。 e. 定量检测 ：共振信号的移动量（Δθ）与分析物在表面结合的浓度成正比。通过校准，可以精确测定分析物的浓度。 关键优势与应用领域 无标记 ：无需对分析物进行荧光或放射性标记，保持了分子的天然活性。 实时 ：可以连续监测结合过程的动力学，获得结合速率和解离速率常数。 高灵敏度 ：能够检测到皮摩尔（pM）甚至更低浓度的物质，以及表面质量厚度亚纳米级的变化。 应用 ：广泛应用于生物分子相互作用研究（如抗原-抗体、DNA-蛋白质）、药物筛选、食品安全检测、环境监测和医疗诊断等领域。