Rezonans Plazmonów Powierzchniowych

 

Rezonans plazmonów powierzchniowych (ang. Surface Plasmon Resonance - SPR) jest zjawiskiem fizycznym, które występuje gdy spolaryzowana wiązka światła pada na powierzchnię metalu pod kątem większym od granicznego oraz spełniającym warunki wzbudzenia rezonansu. Metale charakteryzują się tym, że występuje w nich tzw. gaz elektronowy, czyli swobodne elektrony krążące pomiędzy węzłami sieci krystalicznej. Swobodne elektrony oscylują, a wynik kwantowania ich wspólnej oscylacji nosi miano plazmonu - quasi-cząstki, którą można traktować jako odpowiednik fotonu w promieniowaniu elektromagnetycznym. Aby doszło do rezonansu plazmonów, energia fotonów, zawartych w wiązce światła (fala elektromagnetyczna), padających na powierzchnię metalu, musi być równa energii drgań oscylacyjnych plazmonów. Dla światła widzialnego, energia fotonów jest wystarczająca do wzbudzenia rezonansu plazmonów jedynie w warstwie wierzchniej  metalu o grubości około 400 nm, stąd też określenie rezonans plazmonów powierzchniowych. Rezonans ten występuję przy specyficznym kącie padania światła, dla którego następuje znaczna absorpcja energii fotonów przez metal. Objawia się to charakterystycznym tłumieniem światła odbitego od powierzchni metalu (rys 1.)

 

SPR principle

Rys. 1 Schemat działania układu detekcji rezonansu plazmonów powierzchniowych

Rys. nr 1 przedstawia spolaryzowaną wiązkę światła, która po skupieniu w układzie optycznym pada na cienką warstwę złota, gdzie ulega całkowitemu odbiciu i pada na powierzchnię fotodetektora rejestrującego moc wiązki odbitej. Dla pewnego kąta padania światła na warstwę złota obserwuje się wyraźne tłumienie mocy sygnału odbitego. Oznacza to, że dla tego konkretnego kąta padania mamy do czynienia ze zjawiskiem rezonansu plazmonowego. Eksperymentalnie stwierdzono, że nawet bardzo niewielkie zmiany na powierzchni złota takie jak np. adsorpcja pojedynczych cząsteczek, powodują zmianę warunków rezonansu co przejawia się przesunięciem kąta odbicia, dla którego rejestrowane jest tłumienie. Właśnie ta właściwość sprawia, że technika znajduje zastosowanie w pomiarach oddziaływań na poziomie molekularnym.

Typowe systemy SPR występują w tzw. konfiguracji Kretschmanna, gdzie cienka warstwa metalu (najczęściej złota), jest oświetlana za pośrednictwem pryzmatu, spolaryzowaną wiązką światła z zakresu widzialnego lub bliskiego nadfioletu  (rys 2.). Warstwa złota ma zwykle grubość około0 400nm i jest napylona na cienkiej płytce szklanej - taki element nosi nazwę detektora. 

 

how does it work

Rys. 2 Zasada działania analizatora SPR

W celu uzyskania selektywności pomiarowej, płytkę detektora aktywuje się odpowiednim ligandem i dla takiej konfiguracji wyznaczany jest kąt, przy którym występuje zjawisko rezonansu plazmonów powierzchniowych. Jeśli na powierzchnię takiego detektora zostanie dostarczona próbka zawierająca analit reagujący ligandem, nastąpi interakcja między nimi skutkująca zmianą warunków rezonansu i przesunięciem kąta, przy którym ten rezonans występuje (rys. 2). Miara przesunięcia kąta rezonansowego zawiera informację o stężeniu analitu natomiast czas, po którym to przesunięcie nastąpiło mówi o dynamice reakcji. Zaletą współczesnych analizatorów SPR jest możliwość prowadzenia pomiarów dynamicznych, w czasie rzeczywistym i w ciągłym przepływie. W związku z tym istnieje możliwość precyzyjnego dawkowania próbki oraz kontroli czasu ekspozycji detektora na działanie analitu. Daje to możliwość pomiaru czasu asocjacji i dysocjacji cząsteczek na powierzchni detektora a tym samym określenia powinowactwa i kinetyki oddziaływań (rys. 3).

                  Affinity

  Stała dysocjacji   

KD=kd/ka

                      

Rys.3  Sensogram obrazujący kinetykę oddziaływań pomiędzy ligandem a analitem

Podstawowe zalety pomiarów z wykorzystaniem technologii SPR:

  •  Brak konieczności stosowania znaczników
  •  Bardzo wysoka czułość pomiarowa
  •  Pomiary kinetyczne w czasie rzeczywistym
  •  Minimalne zużycie próbek
  •  Możliwość pomiar stężenia analitu
  •  Niski koszt użytkowania
  •  Szerokie spektrum zastosowań i możliwość łączenia z innymi technikami badawczymi np. elektrochemia
  •  Większa szybkość pomiarów w porównaniu z metodami klasycznym (np. RIA, ELISA)

 

Więcej Informacji

 

PDF Icon Technical Note 101: Principle of SPR Detection: Intensity profile and shift of the SPR angle

PDF Icon Technical Note 102: SPR Sensitivity and Detection Limit

PDF Icon Technical Note 103: Surface Plasmon Resonance v. Quartz Crystal Microbalance