Поверхностный плазмонный резонанс и его применение для построения сенсоров

Сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса (ППР) или сокращенно " ППР сенсоры " – это относительно новый класс сенсоров в отличие от рассмотренных в предыдущих лекциях спектрофотометрических и люминесцентных сенсоров. Явление поверхностного плазмонного резонанса открыто в конце 60-х годов ХХ века.

23.1.1. Сущность явления ППР условия его наблюдения

Поверхностные плазмоны – это волны переменной плотности электрического заряда, которые могут возникать и распространяться в электронной плазме металла вдоль его поверхности или вдоль тонкой металлической пленки.

Оказалось, что при определенных условиях поверхностные плазмоны могут возбуждаться под воздействием поляризованного света. В 1968 г. это было продемонстрировано в работе. Схема наблюдения ППР, которую стали называть по фамилии автора "геометрией Кречмана", показана на рис. 23.1.

Рис. 23.1. Схема оптического наблюдения явления ППР: 1 – прозрачная среда с высоким показателем преломления; 2 – тонкая металлическая пленка; 3 – затухающая электромагнитная волна; 4 – исследуемая жидкость

Свет проходит сквозь оптически прозрачную среду 1 с относительно большим показателем преломления, например, сквозь призму из стекла и падает под определенным углом на тонкую металлическую пленку 2, нанесенную на поверхность стекла. Угол падения должен быть больше угла полного внутреннего отражения. Часть света проникает в металл и распространяется в нем в виде быстро затухающей электромагнитной волны 3. Последняя возбуждает колебания свободных электронов металла – т.н. "электронной плазмы". И в этой плазме могут возникать коллективные колебательные движения электронов, которые принято описывать как квазичастицы – т.н. "поверхностные плазмоны".

Возбуждение становится особенно эффективными при условиях, если:

• свет поляризован;
• поляризация его такова, что электрический вектор электромагнитной волны лежит в плоскости падения, а магнитный вектор параллелен поверхности металла;
• проекция волнового вектора фотонов света на плоскость пленки равна волновому вектору поверхностного плазмона.

Когда эти условия выполнены, то значительная часть энергии света превращается в энергию плазмонов, из-за чего интенсивность отраженного от поверхности металлической пленки света резко падает. Это явление и называют "поверхностным плазмонным резонансом".

Если металлическая пленка 2 достаточно тонка (< 200 нм), то значительная часть затухающей в металле электромагнитной волны достигает противоположной поверхности металла. И тогда ППР становится чувствительным к свойствам той среды 4, которая контактирует с металлом с другой стороны пленки. От электрической поляризации этой среды, в частности от её диэлектрической постоянной (которая у диэлектриков равна квадрату показателя преломления света), зависит положение минимума кривой ППР.

Условие равенства волновых векторов записывается в виде

где – длина волны света; – показатель преломления среды, на поверхности которой находится металлическая пленка (обычно стекла); – угол падения света на металлическую пленку; – волновой вектор поверхностного плазмона металлической пленки; – модуль комплексной диэлектрической проницаемости металла; – показатель преломления среды, которая находится на противоположной стороне металлической пленки.

Как видно из этой формулы, изменения свойств металла или показателя преломления среды 4 изменяют правую сторону уравнения (23.1), вследствие чего положение резонанса изменяется.