表面等离子体共振原理及其应用
李智豪
1.表面等离子体共振的物理学原理
人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。
1.1 基本原理[1]
光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。
等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。
金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场
的增强效应等。金属薄膜中表面波的传输不仅丰富了传统导波光学的研究内容,还使金属介质波导不仅在集成光电于领域,而且在非线性光学和生物分子学等领域获得日益广泛的应用。
1.2金属纳米粒子的表面等离子体共振
纳米粒子由于其巨大的比表面积，展现出远强于宏观物体的等离子体共振强度。
当入射光子的频率与金属内的等离子体振荡频率相同时，就会产生共振，对入射光产生很强的吸收作用，发生局域表面等离子体共振，在光谱上表现为一个强共振吸收或散射峰。这就是金属银纳米颗粒呈黑色能吸收可见光的原因。共振的频率与电子的密度、电子有效质量、电荷分布的形状和大小等密切相关。因此，可通过调节金属纳米颗粒的尺寸和形状来调节表面等离子体共振效应。[2]
如左图显示了几种形态的银纳米粒子的归一化消光光
谱，在达到表面等离子体共振的波长时有一个强散射峰。
也可见同种离子不同形态的对应等离子共振波长是不一
样的。
当发生表面等离子体共振时, 金属纳米颗粒的尖角处的电场强度将比入射电磁波显著增强, 可达到2~4 个数量级（如下图）。对于某些特殊设计的纳米结构, 如在两个球形纳米颗粒的间隙处, 电场强度将增强至6个数量级。在表面增强拉曼的应用上，由于分子的表面增强拉曼信号和电场强度的平方成正比, 所以利用这些金属纳米结构可以达到12个数量级的信号增强, 从而可以实现单分子的拉曼光谱探测。[3]
另外, 纳米颗粒对光的吸收截面远大于散射截面, 并比传统的染料
分子的吸收截面高5个数量级, 这是由于定域激发的表面等离子体
能够改变附近的光的方向（如左图），使超过截面积的光能被吸收，
即“天线效应”。这表明纳米颗粒对光有显著的吸收效应。利用这
个特性, 纳米颗粒有可能应用到OCT中作为优良的光学成像反衬剂
以及应用到癌细胞的识别和热疗方面。
1.3表面等离子体激元的衰变动力学[4][5]
纳米结构中的等离子体共振可以通过重新发射光子或非辐射地通过兰道阻尼（下图1b）产生热电子- 空穴对而衰减。这两个衰变机制之间的比例由等离子体激元模式的辐射度决定。兰道阻尼是一种纯量子力学过程，其中等离子体量子在1至100 fs范围内的时间刻度τL转换为单电子- 空穴对激发。对金属的传导电子显示出依赖时间的扰动的等离子体激发电场可以诱导电子从被占据态转变为空缺态。然而，由于电子- 空穴对形成的过渡矩阵元素很小，等离子体猝灭的最可能的直接结果是形成单个电子- 空穴对。图2中示出了可能的载流子分布，载流子的分布取决于等离子体激发能，粒子尺寸，等离子体激元模式的对称性以及材料状态的电子结构和密度。兰道阻尼是导致可见光中金属介电常数的虚部的物理机制。因此，介电常数的虚部的知识提供了优化热载体生成的手段。例如，通过将辅助等离子体激元模式调谐到介电常数的虚部较大的能量，可以使热载流子产生最大化。该调谐可以通过利用金属纳米颗粒的局部表面等离子体共振的独特几何可调性，或者通过制备由贵金属和具有强烈的内部转变的金属（例如过渡金属）组成的复合结构来执行。对于高于带间跃迁阈值的等离子体能量，热载流子的主要部分将是在贵金属d带的上边缘处形成的热空穴，其中电子位于费米能级之上。
图1 等离子激元衰变的几个阶段
图2 衰变过程的电子分布变化
由于标准等离子体金属的功函数大于其LSPR（局部表面等离子体共振）能量?ωLSPR，所以热电子将具有从费米能级EF到EF +?ωLSPR的负能量，并且不能逃逸到真空中。从等离子体猝
灭产生的热电子将通过诸如俄歇跃迁的电子- 电子散射过程在许多低能电子之间快速重新分配其能量。尽管热载流子弛豫过程的动力学已经被广泛地研究了扩展的表面，但在纳米尺度系统中对该过程的了解甚少。对于扩展的金属表面，时间分辨的研究表明，形成以大的有效电子温度T el为特征的费米- 狄拉克式分布的弛豫时间τel为100fs至1ps（图1c）。随着这些低能电子的速度降低，与声子的相互作用增加。随后以晶格温度T L为特征的晶格的平衡发生在几皮秒的较长时间刻度τph上。该过程的动力学可以使用双温度模型来很好地描述，其中T el和T L随时间变化并且最终会相等。在最后的步骤中，热转移到金属结构的周围。取决于材料，颗粒尺寸和环境的导热性能（图1d），这个过程取值可能为100ps至10ns。
下图综合地描述了等离子体激发、热载流子的衰变、在纳米结构中热载流子的转运以及它们在吸附分子或半导体中的收集。该图的顶部显示了具有适用于每个阶段的详细程度的理论方法：（a）用于等离子体激发的介电函数；（b）用于热载流子生成和传输的电子结构理论；（c）能带/能级对其分析收集。费曼图显示出每个阶段的相关过程：直接跃迁，声子辅助转换和多极体衰变（仅在高强度范围内），以及用于运输的电子- 电子和电子- 声子散射。固态系统中热载流子的收集可用于太阳能转换装置，敏感光电探测器和纳米光谱仪。注入表面分子的热载流子也可以引起光化学反应，例如CO2还原，不过其在机理上与固态收集非常不同。
2.表面等离子体共振上转化材料[6]
光子上转化有很多有用的应用，例如光伏电池、深层组织生物成像、光动力疗法、数据存储等。在大多数这些应用中，使用镧系元素固态上转化体系或有机双分子上转化体系。其中有机双分子上转化效率可以高达16％，而镧系元素上转化体系的效率只有2％-5％左右。不过，这些上转化体系的吸收和发射波长范围由原子或分子能级决定，并且难以调控。与现有的上转化技术相比，在等离子体激元系统中使用热载流子的方案可以更有效率并提供光谱可调性，同时也具有相当高的量子效率，因而展现出光明的前景。
下图即为该体系示意图。金属受能量为的光激发产生空穴-电子对，高于肖特基势垒
并且动量符合要求（z轴方向上的动量不为0）的载流子可以注入到半导体中SC-1，然后再到达半导体量子阱SC-2。在SC-2中由于势垒存在，载流子（包括电子和空穴）被
限制在量子阱的狭小空间中，于是有很大的几率复合，释放出能量为的电子，
注意只要满足则能够实现上转换。
在这个过程中有几点需要注意：1.能量守恒，即至少需要两个低能光子才能转化成一个较高能的光子；2.电荷平衡，即空穴和电子注入半导体的速率相等；3.只要受光照，上转化过程就会不断发生，阻止电荷积累。
左图显示粒径越小，电子能量分布就越
均一，这是由于小粒径金属中热电子散射作
用越强，使得能量能够均一化。由于吸收峰
出现在等离子体共振处，热载流子的产生也
在等离子体共振吸收峰处达到最大。此外，
对于较小的立方体，由于等离子体共振吸收
变得更广域，由于其较强的Drude阻尼作
用，ΔN也变得更广域。
对于更高的光子能量，费米面在极化方向上有较大位移。注入载流子可由这种球面的越界程度k barrier表示。随着入射光子能量增大，在填入下一能级前，态注入首先发生在z轴极化方向上，之后才从其他方向注入。因此在当热电子分布正要注入一个给定能级时，在这个能量下，大部分电子都分布在z轴方向，此时注入效率达到最大。如下图（b），在3.08eV以上时，热电子开始沿着费米面边缘向其他方向分散，导致以正确注入动量的热电子分数变低。
A）从左图可以看到，越小
的粒子吸收峰越多，这是由于
粒径越小、量子效应越显著，
能级差明显，使得产生了多个
吸收峰。
B）越小的粒子产生以及注
入载流子的效率越高。
需要注意的是上转化效率峰值对应的波长与等离子体共振对应波长不重合，这是由于载流子生成效率不取决或较弱地受影响于光子能量，尤其是对于微小的金属粒子；而是受载流子注入效率的影响。进一步的改进可以在几何形状方面做文章，使得载流子注入更加高效。
3.表面等离子体共振光催化材料
表面等离子体光催化材料是基于贵金属纳米颗粒的表面等离子体共振效应的金属-半导体复合光催化材料。贵金属纳米颗粒不仅能通过表面等离子体共振效应增强对入射光的吸收范围，而且可有效抑制光生电子-空穴的复合，大幅提高光催化材料的能量转化效率-对于表面等离子体光催化材料的研究，涉及到负载的贵金属、载体及贵金属/半导体界面。
目前对于表面等离子体共振金属纳米粒子/半导体光催化剂材料的催化机理有以下几种看法
[7]：
a.光激发半导体产生的电子-空穴对促使化学反应发生。传统的半导体光催化材料吸收能
量大于禁带宽度 E g的光子，激发产生电子-空穴对，如果能迁移到表面且能带边缘符合要求，就能发生氧化还原反应;
b.金属纳米颗粒可作为共催化剂捕获电子。早期的研究认为，在半导体表面负载贵金属纳
米颗粒增强光催化活性的原因是因为金属纳米颗粒为共催化剂，能与半导体界面形成肖特基势垒，有效地阻止了光生电子-空穴的复合；
c.局域表面等离子体共振激发的电子直接注入半导体。贵金属在可见光作用下发生表面等
离子体共振，电子从金属脱离，在费米能级的作用下直接迁移到半导体的导带，相应地在金属表面留下空位。文献报道的绝大多数贵金属与载体直接接触的表面等离子体光催化材料遵从该机理；
d.局域表面等离子体共振的偶极子将共振能量转移给半导体的电子-空穴对。基于偶极子-
偶极子能量转移的共振能量转移，可直接激发半导体产生电子-空穴对。
以上三种基于表面等离子体共振效应的光催化反应机理虽然有所不同，但半导体载体都起了关键作用，或金属与载体间发生了界面电子转移，或光催化反应的活性中心为半导体载体。
2017年3月Nature Communications上报道了一篇利用表面等离子体共振纳米铑立方进行CO2的选择性光催化还原，通过光照射铑纳米粒子，不仅可以减少CO2甲烷化反应的活化能，还能极大地提高反应的选择性。[8]
研究人员首先将37 nm的Rh纳米块负载于Al2O3上，制备得到Rh/ Al2O3光催化剂。通过精确的调节，他们扩宽了这种催化剂的局部等离子共振波长范围，使之能完全覆盖紫外光源的波长。
接着，研究人员将少量Rh/Al2O3催化剂放入反应室中，并通入CO2和H2的混合物，同时质谱仪器检测反应的产物。他们发现，当将纳米颗粒加热到300摄氏度时，反应会产生甲烷和一氧化碳的等量混合物。而当关闭热源，用高功率的紫外LED灯照射时，CO2和H2的反应在室温下几乎能完全生成甲烷，选择性高达98%，并且反应速率是热催化反应的两倍。
他们提出的机理是，由光催化反应产生的热电子能够选择性地激活中间体CHO中的C-O键，并且能降低反应的表观活化能，因而可以实现高选择性、高活性的CO2加氢甲烷化反应（下图左）。而不施加光照时，纯粹的热化学过程则不显示出选择性（下图右）。
该工作表明利用等离子体共振的光催化过程是实现选择性催化的潜在的优良途径。
参考文献
[1] 《表面等离子体共振理论与实验研究》 殷澄，第二节 表面等离子体共振SPR 理论研究；
[2] 《金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用》 李志远 李家方 科学通报 2011, vol 56,2631~2661；
[3] Single-Molecule Raman Spectroscopy: A Probe of Surface Dynamics and Plasmonic Fields ， Gilad Haran ，Acc. Chem. Res., 2010, 43 (8), pp 1135–1143；
[4] Plasmon-induced hot carrier science and technology ， M. L. Brongersma, Naomi J. Halas& Peter Nordlander , Nature Nanotechnology 10, 25–34 (2015);
[5] Plasmonic hot carrier dynamics in solid-state and chemical systems for energy conversion, P .Narang R. Sundararaman H. A. Atwater, Nanophotonics, vol 5 ,Issue 1,(Jun 2016);
[6] Photon upconversion with hot carriers in plasmonic systems, Gururaj V. Naik and Jennifer A. Dionne, Appl. Phys. Lett. 107, 133902 (2015);
[7]《表面等离子体光催化材料》张骞 等，化学进展 Vol 25 No.12, Dec., 2013;
[8] Product selectivity in plasmonic photocatalysis for carbon dioxide hydrogenation, Xiao Zhang, Xueqian Li, Du Zhang, Neil Qiang Su, Weitao Yang, Henry O. Everitt & Jie Liu , Nature Communications 8, Article number: 14542 (2017);
第26卷第1期 深圳大学学报理工版 Vol 126No 112009年1月 JOURN AL OF SHE NZHEN UN I V ERS IT Y S C IE NCE AND E NGI N EER I NG Jan 12009 文章编号:100022618(2009)0120016204 【光学工程】 收稿日期:2008206223;修回日期:2008211212 基金项目国家自然科学基金资助项目(636);深圳市科技计划资助项目()作者简介闫培光(2),男(汉族),山东省潍坊市人,深圳大学副教授、博士2y @z 11通讯作者阮双琛(632),男 (汉族),深圳大学教授、博士生导师2@z 11微结构光纤表面等离子体共振传感器研究 闫培光1,邢凤飞2,阮双琛1,李乙钢2 (1.深圳市激光工程重点实验室,深圳大学电子科学与技术学院,深圳518060;2.南开大学物理科学学院,天津300071) 摘 要:采用有限元法模拟微结构光纤表面等离子体共振传感器.计算其共振波长和强度,为证实表 面等离子体共振的产生,对比不同位置处传导模的分布.环形大孔中液体样品的折射率提高后,共振波长向长波移动,且共振峰值强度增大.该微结构光纤表面等离子体传感器对折射率变化的灵敏度达到10-4 . 关键词:表面等离子体共振;微结构光纤;传感器;折射率;共振波长中图分类号:TP 212;T N 253;T N 136 文献标识码:A 光纤表面等离子体共振(surface 2pals mon 2reso 2nance,SPR )传感器在化学、生物、环境与医药等领域具有重要应用[1].光纤SPR 传感器在传感机理上主要有两类:①利用倏逝场效应 [2] ,通过腐蚀或 研磨掉包层后在纤芯表面镀金属膜,或在锥形光纤表面镀金属膜;②在纤芯内写入长周期光栅 [3] ,将 芯内的模式在某一特定波长转化成包层高阶模,使高阶模与等离子体实现相位匹配.这两种光纤SPR 传感器对测量样品折射率(n )的检测灵敏度能达到10-6 量级 [425] ,但第一类SPR 传感器利用锥形光纤, 封装困难;第二类SPR 传感器只有小部分传导光发生SPR 耦合,不利于传感器灵敏度的进一步提高. 新型微结构光纤[6] (m icr ostructured 2op tical 2fi 2 ber,MOF)已应用于产生超连续谱[728] 和光纤激光 器 [9211] .其独特结构为传感器设计提供了新思路, MOF 预制棒制作灵活,可改变包层空气孔阵列控制传导光.2006年,Hassani A 指出,在SPR 传感[12] 方面MOF 主要有两个优点:①可在靠近纤芯的气孔内壁镀金属膜(如金膜和银膜),而不必像常规光纤那样腐蚀掉包层或拉很细的锥,从而使传感器设计不存在封装问题;②MOF 易于实现等离子体与传导模式的相位匹配.在纤芯内引入小气孔降低传 导模的有效折射率(n eff ),便于实现纤芯传导模与等离子体波的共振耦合.当微流体流经镀膜的包层 气孔时,其n 值的变化引起透射损耗峰的变化能够被实时检测. 对MOF 传感的理论研究有多极法 [13] 和边界积 分法[14]等.本文用有限元法对MO F 2SPR 传感器进行研究,模拟MOF 2SPR 共振波长(λR )和强度,对共振峰处SPR 现象进行讨论.研究表明,随着液体样品n 值的提高,MOF 2SPR 共振峰的中心波长向长波移动,且峰值强度随之改变.文中对MOF 2SPR 的灵敏度进行了探讨. 1 光纤参数 MOF 结构如图1.中间气孔直径d 1=115μm ,第一层气孔直径d 2=118μm ,气孔间距Λ=218 μm.其中,传导模主要限定在第一层气孔内,改变d 1可调节纤芯内传导模的n eff ,使传导模能够充分激发等离子体.应指出的是,尽管d 2/Λ>0145,但由于纤芯气孔的存在,光纤仍然保持单模条件.3个环形大孔是待测液体的通道,设液体的n =1133,环形大孔内侧壁镀金膜.3个环形孔MO F 的制作工艺相对成熟;其较大孔径便于液体在内部流动.环形大孔内径为1112μm ,外径大小不影响计算结果,光纤制作时可增大环形孔. 据Drude 关系式[12],金的介电常数εA u ( ω)=j z :0777*******:1977.E mail:anp g s u edu cn :19.E m ai l : scruan s u edu cn h ttp://o urna l .s u.e du .cn
表面等离子体共振实验 姚付强 2012326690046 应用物理学12（2）班 实验目的： 1. 了解全反射中消逝波的概念。 2. 观察表面等离子体共振现象，研究共振角随液体折射率的变化关系。 3. 进一步熟悉和了解分光计的调节和使用。 实验原理： 当光线从光密介质照射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象。但在全反射条件下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消逝波。若光疏介质很纯净，不存在对消逝波的吸收或散射，则全反射的光强并不会衰减。反之，若光疏介质中存在能与消逝波产生作用的物质时，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全反射。 如果在这两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的消逝波的P 偏振分量将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波。表面等离子体共振原理如图所示。 对于某一特定入射角，消逝波平行于金属(电介质)界面的分量与表面等离子体波的波矢（或频率）完全相等，两种电磁波模式会强烈地耦合，消逝波在金属膜中透过并在金属膜与待测物质界面处发生等离子体共振，导致这部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，能量发生转移，反射光强度显著降低，这种现象被称为表面等离子体波共振。 当发生共振时，表面等离子体共振角与液体折射率的关系由以下公式表示 2 2 122 10Re Re )sin(n n n sp +=εεθ 其中 sp θ 为共振角， 0n 为棱镜折射率，2n 为待测液体折射率，1Re ε 为金属介电
常数的实部。 实验仪器 表面等离子体共振实验仪器装置如图所示。主要由分光计、激励光源、偏振片、硅 光电池、光功率计、半圆柱棱镜（内充液体介质）。 实验内容 1. 调整分光计 2. SPR传感器中心调整 3. 测量某一液体的共振角 数据处理 最大光强为126 光强126 121 115 107 97 92 91 83 86 87 88 89 93 1.0 0.96 0.91 0.85 0.77 0.73 0.72 0.66 0.68 0.69 0.70 0.71 0.74 相对光 强 63 65 66.5 68 69.5 71 72.5 73 73.5 74 75.5 77 78.5 入射角 （°）
表面等离子体共振原理及其应用 李智豪 1.表面等离子体共振的物理学原理 人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。 1.1 基本原理[1] 光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。 等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。 金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场
等离子体化学的基本原理及应用等离子体化学是20世纪六十年代发展起来的一门新兴交叉科学。经过40多年的研究发展，已经广泛地引用于化工、冶金、机械、纺织、电子、能源、半导体，医药等不同领域。本文对等离子体化学在材料、电子、光学、医药、化学合成、环境保护几个方面的一些应用进行综述。[1-2] 1理论概述[3] 对常温常压条件下的气体通过高温加速电子加速离子给物质以能量，物质被解离成阴、阳离子的状态，由于整个体系阴、阳离子总电荷相等，故称为等离子体。而从通常的能量排布：气体>液体>固体的角度来说，等离子的能量比气体更高，能表现出一般气体所不具有的特性，所以也被称为物质的第四态。 当气体电离生成电子正离子一般在段时间内发生结合，回到中性分子状态，这个过程产生的电子、离子的一部分能量以电磁波等不同形式消耗，在分子离解时常生成自由基，生成的电子结合中性原子，分子形成负离子。因此，整个等离子体是电子正负离子激发态原子，原子以及自由基的混合状态。因为各种化学反应都是在高激发态下进行的，与经典的化学反应完全不同。这样使等离子体的原子或分子的本性通常都发生改变，即使是较稳定的惰性气体也会变得具有很强的化学活泼性。 在放电气体中发生的反应称为等离子体化学反应，用电子温度Te和离子温度Ti作为参数。若Te ≈Ti称为平衡等离子体或高温等离子体。若Te >>Ti称为非平衡等离子体或低温等离子体。这两种不同的情况在不同的领域都有广泛的运用。 2设备与装置[3-4] 可以将等离子的产生理解为：一定的真空度，外加电场/磁场，通电条件下射频放电产生的特殊物质。各国学者一直努力研制一种能得到均匀稳定的等离子的设备。可以通过(1)解光放电、(2)电晕放电、(3)寂静放电、(4)RF放电、(5)微波放电这5种放电方式(基本特征见图1)来得到等离子体，但为了保证反应产物不分解，一般采用辉光放电形式。这类仪器通过外加电场可以有效地把能量直接传递给反应体系中的气体分子，反应腔里将发生气体放电，产生非平衡等离子体，这种能量传递方法不仅经济有效，而且产生的等离子体具有能量高密度大的特点，所以应用较为广泛。根据反应器的结构不同分为内部电极方式的反应器、外部电极方式的反应器、直流放电反映器、采用商业频率的反映器、微波放电反映器（见图2）。而大多数工业活动需在常压或加压(高气体浓度)条件下进行，尤其化学工业、环境工程和材料工业等还不具备在低气压条件下进行化学反应的工艺条件。
等离子体技术与应用 学号 队别 专业 姓名
摘要 等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认识和利用不断深化。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。目前，等离子体技术已被广泛的用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，极大地推动了信息产业的发展，促进了工业科技进步。 关键词等离子体微波放电隐身技术材料的表面改性微波等离子灯 引言 等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。他们在宏观上呈电中性的电离态气体（也有你液态、固态）。当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度，就会出现一种全新的现象，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。等离子体指的就是这种电离气体，它通常由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。因此，等离子体也被称为物质的第四态。 内容 一、等离子的性质 物质的第四态等离子体有着许多独特的物理、化学性质。只要表现如下： 1) 温度高、粒子动能大。 2) 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。等离子体从整体上看是一种导体电流体。 3) 化学性质活泼，容易发生化学反应。 4) 发光特性，可以作光源。 二、等离子技术的应用 2.1微波放电等离子体技术与应用 通常，低气压、低温等离子体是在1～100pa的气体中进行直流或射频放电产生的。直流辉光发电首先被研究和应用，但该等离子体是有极放电，而且密度低、电离度低、运行气压高，这就限制了其应用的广泛性。随后，射频放电技术逐步被发展起来，这是一种无极放电，且等离子体工作与控制参数比辉光放电有所提高，因而获得了较广泛的应用。但是其密度和电离度仍较低，应用范围依然受到限制。 微波放电初始阶段的物理过程如下。微波引入反应腔中建立起电磁场，反应气体中的电子在微波场作用下获得能量，与气体分子碰撞使其电离，从而得到更多的
表面等离子共振技术（Surface
张颖娱 综述
Plasmon Resonance SPR）
学号 10281036
生物物理系
摘要 : SPR 是一种物理光学现象，而且 SPR 对金属表面附近的折射率的变化极为敏感，利用这一性 质，将一束平面单色偏振光以一定角度入射到镀有薄层金膜的玻璃表面发生全反射时,若入射光的波向量与 金膜内表面电子的振荡频率匹配,光线即耦合入金膜引发电子共振,即表面等离子共振。以 SPR 原理设计的 生物传感器近来引起广泛的重视。 关键词 表面等离子共振 生物传感器 薄膜
1900 年,由 Wood 发现了光波通过光栅后,光频谱发生了小区域损失,这是关于 SPR 这一电磁场效应的最 早记载。1941 年,FanoU 发现这种“Wood 异常”是由于等离子波造成的。1958 年,Turbader 首先对金属薄膜 采用光的全反射激励的方法,观察表面等离子共振现象。 此后,至 60 年代 Otto 以及 1971 年 Kretschmann 分别 发表了里程碑性质的文章,激发了人们应用 SPR 于传感机制的热情,而 Kretschmann 结构也为 SPR 型传感器 奠定了基础。目前 SPR 被尝试用于测量各种物质的结构、特性及其的相互作用等。 1 SPR 生物传感器的基本原理： （如图 2 所示） 表面等离子振动是金属表面自由电子的一种集团运动,代表了一种表面带电的量子振动。在激励 SP 的 通常方法中,光入射在金属薄膜上,产生衰减场,衰减场的穿透深度 dp 为：
（1） 通常要求金属薄膜小于 60mm,达到衰减场中的 TM(横磁波)极化能量耦合并激发等离子态,耦合的数 量、 等离子体的强度受到了金属两侧材料的影响,如果在金属薄膜一侧加一层待测物质,试样与金属薄膜的耦 联影响了结构的折射率,从而影响了反射光、衰减以及等离子体共振。所以,可以把 SPR 型传感器看作等离 子体耦联效率的度量计。基原理如图 2 所示， 其中：
上述两个公式分别为沿表面传播的波矢量,其中:λ为入射光波长,εm 为金属介电常数 的实部,εd 为金属外介质的介电常数,np 为透镜的折射率,θ为入射光与表面法线的夹角。发生共振时,入射 光与法线的临界角为:
θ=arcsin[εmεd(εm+εd)εg]1/2
(4)
显然,共振角受到折射率(或介电常数)的影响,此时,金属膜外侧的衰减场为:
等离子体及其技术的应用 摘要: 随着等离子体技术的迅速发展，逐渐形成了一个新兴的等离子体化工体系。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。这势必会造就很多性能优良的新物质，其也将会有广泛的应用前景。 关键词：等离子体；喷涂；焊接；尾气处理；隐身技术
Plasma and its technical application ABSTRACT With the rapid development of plasma technology, and gradually formed a new plasma chemical system.We know, the common chemical reaction and chemical engineering equipments only produce two thousand degrees temperature.The temperatures that in low temperature plasma electronic produced by all forms of gas discharge up to ten thousand degrees or above,more enough to fracture all sorts of the chemical bonds, or make the gas molecule ionization, produce many chemical reactions that can't happened in usual conditions , get compound or chemical products that can't achieved in usual conditions , and the products won't occur thermal decomposition.It will produce a lot of new substances that performance excellent ,and have a broad application prospect. keywords:plasma；flame plating；soldering；tail gas treatment；invisible technology
表面等离子共振技术的研究 摘要：通过对表面等离子共振技术的原理研究，从而深入介绍表面等离子共振传感技术在现代生物科技和医学上的广泛应用，以及探讨未来表面等离子共振技术的应用领域和趋势。 关键词：表面等离子共振技术生物应用医学应用 表面等离子共振技术，英文简写SPR。随着SPR技术成为分析生物化学、药物研究和食物监控领域[1-3]中的一个不可缺少的部分，SPR生物传感器的应用将更加趋向多样化，特别是它在小分子检测盒脂膜领域的新兴应用将使其在未来药物发现和膜生物学中扮演一个越来越重要的角色。近几年，其发展尤为迅猛，随着SPR仪器的不断完善和生物分子膜构建能力的不断增强，SPR生物传感器应用前景极为广阔。 一、表面等离子共振技术简介 表面等离子共振技术，英文简写SPR。1983 年，瑞典科学家Liedberg 首次将SPR 技术应用于抗体抗原相互作用的测定，由此产生了世界上第一只SPR 生物传感器[4]由于SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段，具有实时检测、无需标记、耗样量少等突出优点，在生物工程、医学、食品工业等多个领域都有广阔的应用前景，引起了世界范围的研究热潮[5]。 1.表面等离子共振技术的原理 表面等离子体共振又称SPR（Surface Plasmon Resonance），是一种物理光学现象[6]，它是由于入射光激发表面等离子体产生表面等离子波而形成的。当一束p偏振光在一定角度范围内入射到两种不同介质界面，如端面蒸镀有一层约50nm厚金膜的棱镜端面时，在棱镜与金膜界面将产生表面等离子波，当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振，入射光的一部分能量在金属表面发生迁移，从而使反射光在一定角度范围内大大减弱，使反射光在一定角度内完全消失的入射角为共振角。如果用于检测分析分子之间的反应动态时，先在芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，如果样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，引起金膜表面样品质量和折射率变化，从而导致共振角变化。通过实时监测SPR共振角所反映的生物分子动态结合和解离过程，可以获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。 二、表面等离子共振技术的应用 SPR生物传感器由于具有无需标记、在线检测、可再生、无样品前处理等优点[7]，在生命科学、药物残留、食品检测、疾病机理等方面有着广泛的应用前景。
表面等离子体共振传感器 程玉培 1433591 摘要:表面等离子体子共振(SPR) 技术是一种简单、直接的传感技术。它通过测量金属表面附近折射率的变化, 来研究物质的性质。表面等离子体子共振传感器已经成为生物传感器研究领域的热点。 关键词表面等离子体子共振传感器生物分子间相互作用 前言 生物化学是运用化学的理论和方法研究生命物质的边缘学科。其任务主要是了解生物的化学组成、结构及生命过程中各种化学变化。化学的核心是化学键，即分子间的相互作用，而要研究生命过程中的各种化学变化，归根到底就是要研究生物分子之间的相互作用。生物分子之间的相互作用是生命现象发生的基础，研究生物分子之间的相互作用可以阐明生物反应的机理，揭示生命现象的本质。近年来，研究生物分子之间相互作用的技术不断出现，其中表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）在生物学以及相关领域的研究应用取得了很大进展，SPR技术可以现场，实时地测定生物分子间的相互作用而无需标记，可以连续监测吸附和解离过程，并可以进行多种成分相互作用的研究。 1 表面等离子体共振传感器概述 1.1 表面等离子体共振传感器简介 表面等离子体子共振( surface plasmon resonance , SPR) 是一种物理光学现象。利用光在玻璃界面处发生全内反射时的消失波, 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, 表面等离子体子与消失波的频率和波数相等,二者将发生共振, 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峰(即反射强度最低值) 。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时, 共振峰位置将不同。 1.2 表面等离子体共振传感器研究背景及现状 表面等离了体共振效应的发现可以追溯到上世纪初。关于SPR效应的最早记载是源于1902年Wood发现光波通过光栅后，光频谱出现小区域内的能量损失现象。1941年，Fano针对这一现象根据金属和空气界面上表面的电磁波理论和边界条件进行了详尽的解释。1957年，当高能电了通过金属薄膜时，Ritchie发现能量损耗不仅发生在体积等离了体频率处，在更低频率处也发生了，于是认为这与金属薄膜界面特性有关。1958年，Turbader为了观察SPR现象，对金属薄膜采用光的全反射激励的方法。 1960年，Stern和Farrell首次提出了表面等离
等离子体物理及应用领域 什么是等离子体？ 由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系 非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。 等离子体是物质第四态 电离气体是一种常见的等离子体 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。 “电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 ) 放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式 等离子体 电离气体 宇宙中90％物质处于等离子体态 人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子
体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。 由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。 地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。 日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹 等离子体参数空间 密度(cm -3) 温度 (度) 太阳核心 磁约束 聚 变 霓虹灯 北极光 火 闪电 日冕 氢 星际空间 荧光 气体 液 体 固 体 惯性聚变 星 太阳风
表面等离子体激元简介一．表面等离子体激元表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光的方式。表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons）。局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能传播，但可以向四周环境辐射电磁波。局域表面等离子体共振可以通过光直接照射产生。表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦合。表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要满足一定的波矢匹配条件。二．SPPs的激发和仿真方法由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几
种：（1）棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto方式。（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采用近场激发。目前主要的仿真方法有以下三种（1）时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)：FDTD方法是把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分模拟，利用蛙跳式(leaf flog algorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算，电磁场的变化通过时间领域上更新来模仿。优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用较多的数值模拟方法之一。（2）严格耦合波法(rigorous coupled—wave analysis，RCWA)：该方法是分析光栅的有利工具，它是基于严格的矢量maxwell 方程来分析。由于在很多的表面等离子的结构中都会引入衍射光栅结构，所以RCWA方法也被越来越多的学者用来分析相关的问题，并且取得了不错的效果。（3）限元法(finite element method,FEM)：该方法是从变分原理出发，将定义域进行有限分割，离散成有限个单元集合。通过区域剖分和分偏差值，把二次泛函的极值问题化为普通多元二次函数的极值问题，后者等价于一组多元线性代数方程的求解。该方法分析的是一种近似结果，不过很多的问题能近似模拟，目前应用也比较广泛。三．SPPs的若干应
表面等离子共振技术 北京大学力学系生物医学工程专业2003级，郭瑾 摘要：表面等离子共振技术自80年代发展起来后，目前在生物医学领域已有了广泛应用，发挥着重要作用。本文就表面等离子共振技术的原理和其在蛋白质组学、抗原－抗体研究和药物筛选中的应用做了简要阐述。 关键词：表面等离子共振，隐失波，蛋白质组学，抗原－抗体相互作用，药物筛选 表面等离子共振技术（surface plamon resonace technology,SPR 技术）是上个世纪80年代发展起来的以生物传感芯片（biosensor chip）为中心的一种新技术，由Biacore AB公司开发。此后人们开始研究用各种方法改进SPR的性能、简化仪器系统，并试图用SPR技术测量不同的生化物质，如DNA-DNA间的生物特异性相互作用【1】，蛋白质折叠机制的研究【2】，微生物细胞的检测【3】，抗体－抗原分子相互作用的研究【4】等。本文对于表面等离子共振技术的原理和其在生物医学领域的应用作了简要的综述。 一、表面等离子共振技术的原理 全内反射是一种普遍存在的光学现象。考虑一束平面光波从介质1表面进入到介质2中。入射光在介质1表面上一部分发生反射，另一部分则透射进介质2。入射角和透射角之间满足关系式： n1sinθ1=n2sinθ2 这里n1是介质1的折射率，n2是介质2的折射率。当入射角增大，增大到临界角θc 时,这时的透射角为90°；当入射角继续增大到大于临界角时，光不再透射进介质2，也就是发生了全反射。由snell定律可知： θ2=90° θc=sin-1(n2/n1) 由上式可知，当n2 第四章表面等离子体共振技术 --学习总结通过表面等离子体共振技术的学习，我主要掌握了以下的一些基本知识： 一、金属表面的等离子体振动 表面等离子体振动，其角频率ωs与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系： 则这种特殊表面的等离子体振动的角频率ωms为：Array 二、产生表面等离子体共振的方法 面等离子体波（Surface plasma wave，SPW） 质中逐渐衰减。表面等离子体波是TM极化波，即横波，其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。 在半无穷电介质和金属界面处，角频率为 式中c是真空中的光速，εm和εa分别是金属和电介质的介电常数。表面等离 εm=εmr+iεmi）。金属的εmr/εmi 电磁波在真空中的速度c与在不导电的均匀介质中的速度v之比称为电介质的折射率n： 则：Array 频率为ω 要使光波和 （ka）总是在ω（ 从不交叉，即ω（ 因此， 要设法移动ω（ 的。 场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失 kev为： 通过调节θ 共振，有： 由上式可见，若入射光的波长一定，即ωa一定时，ns 条件；若θ0一定时，ns改变，则必须改变ωa 波长λ来实现。此时θ0和λ分别称为共振角和共振波长。 右图为典型的SPR光谱 三、SPR传感器 1、基本原理 表面等离子体子共振的产生与入射光 的角度θ、波长λ、金属薄膜的介电 常数εs及电介质的折射率ns有关， 发生共振时θ和λ分别称为共振角度 和共振波长。对于同一种金属薄膜， 如果固定θ，则λ与ns有关；固定λ， 则θ与ns有关。 如果将电介质换成待测样品，测出共 振时的θ或λ，就可以得到样品的介 电常数εs或折射率ns；如果样品的化 学或生物性质发生变化，引起ns的改 变，则θ或λ也会发生变化，这样， 检测这一变化就可获得样品性质的变 化。 固定入射光的波长，改变入射角，可 得到角度随反射率变化的SPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的SPR光谱。SPR光谱的改变反映了体系性质的变化。 2、基本结构 一般来说，一个SPR传感器的包括：光学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。 敏感元件主要指金属薄膜及其表面修饰的敏感物质，用于将待测对象的化学或生物信息转换成折射率的变化，是SPR传感器的关键。从SPR的原理可知，实际上是样品的折射率的变化引起SPR光谱的变化。 4种检测方式： 1.角度调制：固定λin，改变θin 2.波长调制：固定θin ，改变λin 3.强度调制：固定θin 、λin，改变光强 4.相位调制：固定θin 、λin，测相差 3、应用 用SPR可获得的信息： 1.两个分子之间结合的特异性 2.目标分子的浓度 3.结合以及解离过程的动力学参数 等离子体化学的基本原理及应用 等离子体化学是20世纪六十年代发展起来的一门新兴交叉科学。经过40多年的研究发展，已经广泛地引用于化工、冶金、机械、纺织、电子、能源、半导体，医药等不同领域。本文对等离子体化学在材料、电子、光学、医药、化学合成、环境保护几个方面的一些应用进行综述。[1-2] 1理论概述[3] 对常温常压条件下的气体通过高温加速电子加速离子给物质以能量，物质被解离成阴、阳离子的状态，由于整个体系阴、阳离子总电荷相等，故称为等离子体。而从通常的能量排布：气体>液体>固体的角度来说，等离子的能量比气体更高，能表现出一般气体所不具有的特性，所以也被称为物质的第四态。 当气体电离生成电子正离子一般在段时间内发生结合，回到中性分子状态，这个过程产生的电子、离子的一部分能量以电磁波等不同形式消耗，在分子离解时常生成自由基，生成的电子结合中性原子，分子形成负离子。因此，整个等离子体是电子正负离子激发态原子，原子以及自由基的混合状态。因为各种化学反应都是在高激发态下进行的，与经典的化学反应完全不同。这样使等离子体的原子或分子的本性通常都发生改变，即使是较稳定的惰性气体也会变得具有很强的化学活泼性。 在放电气体中发生的反应称为等离子体化学反应，用电子温度Te和离子温度Ti作为参数。若Te ≈Ti称为平衡等离子体或高温等离子体。若Te >>Ti称为非平衡等离子体或低温等离子体。这两种不同的情况在不同的领域都有广泛的运用。 2设备与装置[3-4] 可以将等离子的产生理解为：一定的真空度，外加电场/磁场，通电条件下射频放电产生的特殊物质。各国学者一直努力研制一种能得到均匀稳定的等离子的设备。可以通过(1)解光放电、(2)电晕放电、(3)寂静放电、(4)RF放电、(5)微波放电这5种放电方式(基本特征见图1)来得到等离子体，但为了保证反应产物不分解，一般采用辉光放电形式。这类仪器通过外加电场可以有效地把能量直接传递给反应体系中的气体分子，反应腔里将发生气体放电，产生非平衡等离子体，这种能量传递方法不仅经济有效，而且产生的等离子体具有能量高密度大的特点，所以应用较为广泛。根据反应器的结构不同分为内部电极方式的反应器、外部电极方式的反应器、直流放电反映器、采用商业频率的反映器、微波放电反映器（见图2）。而大多数工业活动需在常压或加压(高气体浓度)条件下进行，尤其化学工业、环境工程和材料工业等还不具备在低气压条件下进行化学反应的工艺条件。 表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用 精神卫生研究所张瀚迪学号：10281335 摘要：表面等离子共振技术是近年来迅速发展起来的用于分析生物分子相互作用的一项技术，它利用全反射时入射光可以和金属表面的等离子发生共振的原理，探测生物分子之间是否发生作用以及反应的动力学参数。该技术目前已广泛应用于免疫学、蛋白质组学、药物筛选、蛋白质与核酸相互作用等各个领域，并获得了许多用其它方法无法得到的动力学数据。 导言：表面等离子共振技术是一项用于分析生物大分子之间的相互作用的技术，它可以定性的判断两分子之间是否有相互作用，比较一种分子与其他几种分子之间相互作用的强弱，也可以实时定量的测定分子间相互作用的亲和力参数（平衡常数）和动力学参数（速率常数），甚至热力学参数（反应的焓）。该技术是利用了物理光学的原理（下文详述），在研究两分子相互作用时，将一种分子固定在传感片表面，而另一种分子的溶液流过其表面，两种分子的结合会使传感片表面的折射率改变，因此检测两分子间的相互作用。1983年，瑞典LINKOPING理工学院应用物理实验室Liedberg等人首先把它用于IgG与其抗原相互作用的检测[1]，并由BIAcore公司开发出SPR传感器。此后SPR传感器的研究与改进迅速发展，其在生物医学中的应用也日益广泛。 表面等离子共振技术的基本物理光学原理：如果光波从光密介质（折射率大）射向光疏介质（折射率小），比如由玻璃射向空气，且入射角大于临界角时，没有折射光产生，入射光全部反射回去，这一现象称为全反射。全反射时光波在两介质分界面的行为是什么样的呢？深入研究指出，全反射时光波将透入第二介质（光疏介质）很薄的一层表面（深度约为光波的波长），并沿界面流动约半个波长再返回第一介质（光密介质）。透入第二介质的光波称为倏逝波。如Fig 1 所示。 倏逝波是一个沿x方向传播的振幅在z方向（垂直于两介质界面的方向）按指数衰减的波。倏逝波最后仍返回第一介质，总的来说光的能量没有进入第二介质。 在两介质的界面镀上一层很薄的金属薄膜，薄膜厚度在倏逝 关于课程 1 课程讲授 z必要的基础介绍； z建立基本物理图像，基本概念理解； z技术比较； z重要应用； z表述：文字、图表、公式 z详略----详：重要，不了解。略：（已掌握） z重复： 2 图书馆参考书 z DC多，rf、微波少 z理论多，技术少 z旧知识多、新进展少 注意部分参考 3．考试 z闭卷笔试：公平 z重点：理解、了解 z直博生 等离子体技术和应用（综） §1．关于技术的定义 ①技术（technology）的原意----木匠。 木匠能按照人们的需求与意图把木料加工、组合，制成物品。所以亚里斯多德称技术是制造的智慧。 ②技术的现代定义： 技术是指人类在利用、改造和保护自然的过程中通过创新所积累的经验、知识、技巧以及为某一目的共同协作组成的工具和规则体系。 ③科学技术： 科学技术是不断发展着的概念，人们有各种广义个狭义的理解。在我国科技管理活动中，对科学技术的理解通常采取广义的概念。 科学是关于自然、社会和思维的知识体系，其任务是认识自然现象、探索自然规律，属于认识自然的范畴。 技术一般是指人类改造自然和创造人工自然的方法、手段与活动的总称。 广义地讲，技术既包括生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺操作方法与技能，又包括相应的生产工具和其他物质设备，以及生产的工艺过程或作业程序等。 附：关于技术创新的定义: 定义1：生产要素的新组合 定义2：技术的首次商业应用 §2．等离子体技术 包括两部分： （1）等离子体源的制造??工具研究??新源，新外围设备 优化、组合。 （2）等离子体源的应用??工具应用??新领域、新参数范围等。 }等离子体源的制造技术所涉及的因素 }等离子体源的应用技术 所利用的特性： 光、热、电、化学 作用区： a)等离子体中---合成气体、转化气体、合成细粉 b)等离子体/固体表面—薄膜沉积、刻蚀、表面改性、消毒、灭菌、切割等 c)等离子体/液体---化学合成、消毒 d)等离子体多相作用 }等离子体技术的社会作用 生产新能源 核聚变 优点： 太阳能利用（太阳能电池---多晶硅、光电半导体薄膜） 提高生产加工过程的效率和效能 表现：（1）更有效、更便宜达到工业相关结果的能力； （2）完成其它方法不能完成的任务 学号 队别 专业 姓名 摘要 等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认 识和利用不断深化。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。目前，等离子体技术已被广泛的用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，极大地推动了信息产业的发展，促进了工业科技进步。 关键词等离子体微波放电隐身技术材料的表面改性微波等离子灯 引言 等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。他们在宏观上呈电中性的电离态气体（也有你液态、固态）。当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度，就会出现一种全新的现象，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。等离子体指的就是这种电离气体，它通常由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。因此，等离子体也被称为物质的第四态。 内容 一、等离子的性质 物质的第四态等离子体有着许多独特的物理、化学性质。只要表现如下： 1) 温度高、粒子动能大。 2) 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。等离子体从整体上看是一种导体电流体。 3) 化学性质活泼，容易发生化学反应。 4) 发光特性，可以作光源。 二、等离子技术的应用 微波放电等离子体技术与应用 通常，低气压、低温等离子体是在1～100pa的气体中进行直流或射频放电产生的。直流辉光发电首先被研究和应用，但该等离子体是有极放电，而且密度低、电离度低、运行气压高，这就限制了其应用的广泛性。随后，射频放电技术逐步被发展起来，这是一种无极放电，且等离子体工作与控制参数比辉光放电有所提高，因而获得了较广泛的应用。但是其密度和电离度仍较低，应用范围依然受到限制。 微波放电初始阶段的物理过程如下。微波引入反应腔中建立起电磁场，反应气体中的电子在微波场作用下获得能量，与气体分子碰撞使其电离，从而得到更多的自由电子和离子；在电子、离子密度增加的同时，等离子体介质参数发生变化；另外，电子、离子还存在扩散和复合运动。这些作用使等离子体最终达到平衡状态。因此这是一种微波与等离子体互相作用的非线性过程。第四章 表面等离子体共振技术总结
等离子体化学的基本原理和应用
表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用
等离子体技术与应用(综合篇)
等离子体的应用
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