表面等离子共振实验讲义

图5
准星示意图
当激光光斑一直过准星时，中心调节完毕。移去准星，放入敏感部件（34） ，为接下来 读数方便，将游标盘与度盘调整至图五所示位置，调整敏感部件使光 0°入射，拧紧游标盘 止动螺钉（25） ，转动度盘使度盘 0°对准游标盘 0°。拧紧转座与度盘止动螺钉（16） ，松 开游标盘止动螺钉（25） ，从此刻开始度盘始终保持不动。转动游标盘 90°观察光是否 90 °入射敏感部件，继续转动游标盘 180°观察光是否仍 90°入射敏感部件，如果是，此时则 说明敏感部件已调整完毕。将游标盘转回至度盘所示 65°位置处锁定，测量前准备调节完 毕。
表面等离子共振实验
1902 年，Wood 采用连续光谱的偏振光照射金属光栅时，在反射光谱上观测到一种反常 衍射现象，即“伍德异常衍射现象(Wood Anomalies)” 。1941 年，Fano 在 Sommerfeld 理论 的基础上运用金属-空气界面的表面电磁波激发模型解释了这一异常衍射现象。1957 年， Ritchie 在实验中观测到高能电子穿过金属薄片时出现了能量吸收峰，而为了解释这一现象， 他提出了用于描述金属内部电子密度纵向波动的“金属等离子体”的概念。而后，Powell 和 swan 在 1959 年通过实验证实了 Ritchie 提出的这种理论。 一年后，Stern 和 Farrell 对金属 表面电磁波模式的共振条件进行了深入的研究， 并提出了 “表面等离体共振(Surface plasmon resonance，SPR)”的概念。到了 1968 年，德国物理学家 Otto 和 Kretschmann 各自采用衰减 全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)的方法在实验中实现了光频波段的表面等离子体的 激发。至此，一个较为完整的表面等离子体激化理论就建立起来了，从而对上述现象的理论 解释进行了统一。之后，对于表面等离子的研究则主要集中在传感应用方面，而基于表面等 离子体共振效应的传感技术也得到迅速的发展，并被广泛应用于化工和生命科学等领域。 【预备问题】 1. 产生全反射的条件是什么？ 2. 如何理解金属内部及表面的等离子体振动？ 3. 产生金属表面等离子体共振有哪些方法？ 4. 产生金属表面等离子体共振须满足什么条件？ 5. 表面等离子体共振技术目前主要应用在哪些方面？ 【实验原理】 1. 倏逝波 当光线从折射率为 n1 的光密介质射向折射率为 n2 的光疏介质时，在两种介质的界面处 将同时发生折射和反射， 当入射角θ大于临界角θc 时， 将发生全反射， 在全内反射条件下， 入射光的能量没有损失， 但光的电场强度在界面处并不立即减小为零， 而会渗入光疏介质中 产生倏逝波，如图 1 所示。
1.0
相对反射光强
0.8
相对光强
0.6
0.4
0.2
0.0 65 70 75 80 85
入射角
图 3 SPR 传感器测得的反射系数曲线
表面等离子体共振角随液体折射率的变化有如下关系：
n0 sin( sp )
（ 部）
2 Re 1 n2 2 Re 1 n2
sp
为共振角，
n0 为棱镜折射率， n 2 为待测液体折射率， Re 1 为金属介电常数的实
根据公式可知，待测液体折射率和共振角之间存在关系，所以在该实验中可以测量不 同折射率液体所对应的共振角。从而讨论他们之间的关系。 3、与分光计的结合使用 仪器基本原理图如图二所示。结合分光计的精度和角度读数的方便性，能够精确的找 到待测溶液所对应的共振角。
图4
基于分光计的 SPR 传感器原理图
【实验仪器】 分光计、KF-SPR 表面等离子共振实验仪、激光器、偏振器、不同折射率的溶液 【实验内容】 1、调整分光计 详见分光计使用说明书，调整分光计的平行光管部件（3） 、望远镜部件（8）分别与载 物台（5）中心轴垂直。 2、实验部件安装和线路连接 （1）调整完毕分光计后，连接线路，激光光源（29）接光输出，光电探头（30）接光输入， 插上电源线。
0 Prism g Metal m kev ksp z
x
0 k'ev ksp Prism g Sample s Metal m
Sample s
(a)Kretschman
图2 棱镜耦合激发方式
(b) Otto
表面等离子体子共振（SPR）是一种物理光学现象。表面等离子体（SP）是沿着金属和 电介质间界面传播的电磁波所形成的。当 P 偏振光以表面等离子体共振角入射在界面上， 将发生衰减全反射，入射光被耦合到表面等离子体内，光能被大量的吸收，在这个角度上由 于发生了表面等离子体共振从而使得反射光显著减少， 利用光在玻璃界面处发生全内反射时 的倏逝波, 可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子体子。 在入射角或波长为某一适当 值的条件下, 表面等离子体子与倏逝波的频率和波数相等时, 两者之间将发生共振, 入射光 被吸收, 使反射光能量急剧下降, 在反射光谱上出现共振吸收峰，如图一所示。这即发生了 表面等离子体共振现象。在入射光波长固定的情况下，通过改变入射角度，从而实现角度指 示型表面等离子体共振。
图 1 光的全反射伴随倏逝波
对于无限宽的光束倏逝波的强度随渗入深度 z ) I (0) exp( z / d )
d
其中
(1)
0
2 2 n12 sin n2 2
（
0 是光在真空中波长）是倏逝波渗入光疏介质的有效深
度(即光波的电场衰减至表面强度的 1/ e 时的深度)。 可见入射的有效深度 d 不受入射光偏
振化程度的影响，除 → 是
c ， d →∞的特殊条件外，d 随着入射角的增加而减小，其大小
0 的数量级甚至更小。因为倏逝波的存在，在界面处发生全内反射的光线，实际上在光
疏介质中产生大小约为半个波长的位移后又返回光密介质， 若光疏介质很纯净， 不存在对消 失波的吸收或散射，则全内反射的光强并不会衰减。反之，若光疏介质中存在能与倏逝波产 生上述作用的物质时，全内反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全内反射。 2.表面等离子共振 五十年代，为了解快速电子穿过金属箔时的能量损失，人们进行了大量的实验和理论 工作。 Pine 和 Bohm 认为， 其中能量损失的部分原因是激发了金属箔中电子的等离子体振动 （Plasma oscillation） ，又称为等离子体子（plasmon） 。Ritchie 从理论上探讨了无限大纯净金 属箔中由于等离子体振动而导致的电子能量损失， 同时也考虑了有限大金属箔的情况， 指出： 不仅等离子体内部存在角频率为p 的等离子体振动，而且在等离子体和真空的界面，还存 在表面等离子体振动 （Surface plasma oscillation） ， 其角频率为
图6
0°对准处示意图
4、测量纯净水与酒精的相对光强与入射角的关系 在敏感元件中分两次注入纯净水与酒精， 测量不同溶液的相对光强与入射角的关系。 保 持度盘和游标盘不动，转动支臂（14） ，观察功率计读数，记录其中的最大读数，保持度盘 不动，转动游标盘 1°至 66°固定，再转动支臂记录最大读数。以此类推，以每 1°来增加 入射角，记录功率计最大读数，直至入射角为 88°。 【数据处理】 1、数据表格自拟。 2、画出图 3 所示的相对光强与入射角的关系曲线图。 3、比较不同溶液的共振角有何差异。 4、自拟相同溶液不同浓度变化的关系图并加以分析。
p
2 。Powell 和 Swan 用
高能电子发射法测定了金属铝的特征电子能量损失， 其实验结果可用 Ritchie 的理论来解释。 Stern 和 Ferrell 将表面等离子体振动的量子称为表面等离子体子（Surface plasmon） ，研究了 金属表面有覆盖物时的表面等离子体振动， 发现金属表面很薄的氧化物层也会引起这种振动 的明显改变。他们还预言：由于表面等离子体振动对表面涂层的敏感，那么通过选择合适的 涂层，表面特征能量损失的值会在一定范围内发生变化。 除电子以外，用电磁波，如光波，也能激发表面等离子体振动。六十年代晚期， Kretschmann 和 Otto 采用棱镜耦合的全内反射方法，实现了用光波激发表面等离子体振动， 为 SPR 技术的应用起了巨大的推动作用。他们的实验方法简单而巧妙，仍然是目前 SPR 装 置上应用最为广泛的技术。
（2）撤下平行光管的狭缝装置，将激光光源装入到平行光管内，拧紧固定螺丝；同时拧去 分光计的两个物镜，将光电探头装入分光计的望远镜套筒之内（如图一所示） ，并将偏振器 （31）装入平行光管内，把偏振器指针转到 90°，打开电源开关，观察功率计读数调整激 光光源，当数值处于 900 附近时固定光源。 3、传感器中心调整 将微调座（32）放到载物台上，固定好调节架后，在调节架中心放上准星（33） （见准 星示意图） ，首先开始粗调，调节载物台锁紧螺钉（6）使激光光斑至图 4 所示Ⅰ处，转动游 标盘一圈，观察激光光斑是否一直射在Ⅰ上，如果不是，则说明激光光线和准星不在一个平 面上，分以下两种情况调节： ⑴ 当转动游标盘一圈，激光光斑始终处于准星某一侧，则说明激光光线有偏移，微调平行 光管光轴水平调节螺钉（26） ，使激光光斑射在Ⅰ上。 ⑵ 当转动游标盘一圈，激光光斑处于准星不同侧，则说明准星不处于分光计中心位置，采 用渐近法（与调节分光计中十字光斑方法相同） ，调节微调座的两颗微调螺钉，使激光光斑 射在Ⅰ上。 粗调完毕，开始细调，调节平行光管光轴高低调节螺钉（27） ，使激光光斑射在Ⅱ上， 再转动游标盘一圈，观察激光光斑是否一直射在Ⅱ上，如果不是，则说明激光光线和准星仍 不在一个平面上，调节方法与粗调一致。调节完毕，继续调节平行光管光轴高低调节螺钉 （27） ，使激光光斑射在Ⅲ上，转动游标盘一圈，观察顶尖Ⅲ处光斑是否一直处于最亮状态， 如果不是，继续调节，调节方法同粗调、细调。