表面等离子体共振
表面等离子体共振（SPR）是金属表面自由电子与入射光电磁场相互作用形成的集体振荡现象。当入射光的动量与表面等离激元的波矢匹配时，会发生能量共振转移，导致反射光强度显著减弱。这一现象对金属表面介电环境的变化极为敏感，因此被广泛应用于生物分子检测、化学传感和材料表征。

1. 金属中的自由电子与电磁波耦合

   • 金属中的自由电子可视为等离子体，其集体振荡称为等离激元。在金属-介质界面，电磁场被限制在界面附近，形成沿表面传播的电磁模式，即表面等离激元极化激元（SPP）。
   • SPP的波矢大于自由空间光子的波矢，需通过棱镜耦合（如Kretschmann结构）或光栅耦合等方式实现动量匹配，才能激发共振。

2. 共振条件与反射谱特征

   • 在棱镜耦合结构中，入射光通过全反射产生的倏逝波与金属膜表面的SPP耦合。当入射角或波长满足共振条件时，反射光强度出现极小值。
   • 反射谱的共振角（或共振波长）取决于金属膜的介电常数和相邻介质的折射率。环境折射率的微小变化会导致共振角偏移，这一特性构成SPR传感的基础。

3. 传感应用与灵敏度

   • SPR传感器通过监测共振角位移实时检测表面分子吸附、结合或反应过程。灵敏度定义为共振角变化与折射率变化的比值，通常可达 \(10^{-6}\)–\(10^{-7}\) 折射率单位。
   • 应用实例：检测蛋白质-抗体相互作用、DNA杂交、病毒识别等生物分子事件，无需标记即可获得动力学参数（如结合常数）。

4. 技术扩展与局限性

   • 局部表面等离激元共振（LSPR）：利用金属纳米颗粒的局域共振，无需动量匹配，但灵敏度较低。
   • 局限性：SPR的探测深度限于倏逝场范围（约200 nm），难以检测大体积溶液或厚层样品；金属膜的化学稳定性和生物相容性需优化。

5. 前沿发展

   • 高灵敏度SPR：通过纳米结构（如金纳米柱、石墨烯覆盖层）增强局域场，提升灵敏度。
   • 多参数SPR：同时测量振幅、相位和波长，提高检测精度。
   • 微流控集成：实现高通量、自动化样品分析，推动单分子检测和临床诊断应用。