表面等离激元共振传感器 表面等离激元共振传感器是一种基于表面等离激元共振现象的高灵敏度光学传感技术。为了让你透彻理解，我们从其物理基础开始，逐步深入到传感机制和应用。 电磁波与金属中的电子 光是一种电磁波，其振荡的电场和磁场可以在空间中传播。 金属内部存在大量自由移动的电子，这些电子集体被称为“电子气”。当光（电磁波）照射到金属表面时，其振荡电场会驱动这些自由电子集体振荡。 表面等离激元的激发 在特定条件下，入射光可以与金属表面的自由电子发生共振，导致电子密度在金属-介质界面处发生集体相干振荡，这种量子化的振荡被称为表面等离激元。 然而，表面等离激元是一种 倏逝波 ，其能量被局限在界面附近，无法被直接由光在自由空间中激发。为了克服动量的不匹配，需要采用特殊的耦合结构。 耦合结构与共振条件 最常用的耦合结构是 棱镜耦合 （例如Kretschmann结构）。在这种结构中，一束偏振光通过一个高折射率的棱镜，在棱镜与金属薄膜的界面发生 全内反射 。 全内反射会产生一种沿着界面方向传播的倏逝场。当这个倏逝场的传播常数（动量）与在金属-外部介质界面存在的表面等离激元的传播常数完全匹配时，就会发生 能量转移 ，即光能有效地耦合到表面等离激元中。这个特定的入射角就是 共振角 。 共振现象与信号检测 当发生共振时，入射光的能量被大量吸收用于激发表面等离激元，导致反射光的光强出现一个显著的 下降 （即反射率曲线出现一个陡峭的谷）。 这个共振角（或共振波长）对金属表面介质的 折射率 极其敏感。任何附着在金属表面的物质，只要其折射率与周围环境不同，都会改变界面处的有效折射率，从而导致共振角的移动。 传感机制：将物理变化转化为可测信号 这就是传感的核心：将待测物（如生物分子）固定在金属传感器表面。当溶液中的目标分子与固定的探针分子发生结合时，金属表面的物质层厚度和折射率会发生微小变化。 这一变化会立即改变表面等离激元的共振条件，导致 共振角发生移动 。通过高精度地监测这个共振角的移动，就可以实时、无标记地检测分子结合事件。 关键性能参数与优势 灵敏度 ：指单位折射率变化所引起的共振角移动量。灵敏度越高，检测微小变化的能力越强。 探测限 ：能够可靠检测到的最小折射率变化或最小质量变化，通常可达皮克（pg）级别。 实时性与动力学 ：SPR传感器可以实时监测结合过程，从而计算出分子相互作用的 结合速率常数 和 解离速率常数 ，以及 亲和力 。 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。 典型应用领域 生物分子相互作用分析 ：如抗原-抗体、受体-配体、DNA-蛋白质的相互作用研究。 药物筛选 ：快速评估候选药物与靶点蛋白的结合强度和特异性。 免疫检测 ：开发高灵敏度的生物传感器用于疾病诊断。 环境监测 ：检测水或空气中的特定污染物。 总结来说，表面等离激元共振传感器本质上是一个将界面处微小的折射率变化，通过激发表面等离激元并监测其共振条件的改变，放大并转化为一个易于精确测量的光学信号（角度或波长移动）的高精度测量工具。