表面プラズモンの顕微鏡。発明と生産の歴史

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表面プラズモンの顕微鏡。発明と生産の歴史

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通常、オングストロームの厚さの物体を可視光で観察することは不可能です。しかし、これを可能にする顕微鏡があります。顕微鏡の解像力の限界は、光の回折現象を設定します。回折とは、障害物の周りで波が曲がることです。より広い意味では、幾何光学の法則からの波の伝播の逸脱。顕微鏡の場合、回折によって、顕微鏡でそれらが XNUMX つではなく XNUMX つに見える XNUMX つの発光点間の最小距離が決まります。

少し計算すると、630 つの発光点を配置できる最小距離は、発光する光の波長の半分程度になることがわかります。したがって、波長 315 nm の放射の場合、サイズが XNUMX nm を超えないオブジェクトの解像度を期待できます。

しかし、回折現象は別の角度から見ることができます。光は光子の流れ、つまり量子粒子であることが知られています。回折限界をはるかに超える解像度を得る方法を理解するのに役立つのは、量子力学です。

実際のところ、不確実性の関係は、粒子の運動量と半径ベクトルという XNUMX つのベクトルを結び付けます。 S.Iとして。「Soros Educational Journal」の Valyansky: 「今、運動量の定義の不確実性を自問すると、量子オブジェクトの座標の定義にその不確実性が設定されており、これはもはや削減できません。これにより、次のことがわかります。座標空間の何らかの体積. それを既知の体積の立方体としましょう, しかし、その体積を変えずにそれを変形させて、それによって一般的な不確実性の関係に違反することを誰も禁じていません. そして、この立方体を広い面積を持つ薄いパンケーキに変形させます、しかし薄い。

量子がこのパンケーキの平面に平行な方向に移動する場合、パンケーキの平面での局在化の不確実性が大きいため、この平面への運動量の投影で十分に大きな確実性を得ることができます。同時に、この平面に垂直な方向に量子の十分に高い局在化が得られますが、この方向への運動量の投影には大きな不確実性があります。

したがって、パンケーキの平面に平行な平面での量子運動の方向を決定する精度は、このパンケーキの厚さに直接関係します。言い換えれば、ボリュームをパンケーキに薄く巻くほど、パンケーキの平面での量子運動の方向をより正確に測定できるようになります。したがって、半径ベクトルの射影の XNUMX つと運動量の射影の XNUMX つを正確に決定できることがわかります。これらの投影のみが相互に垂直です。

しかし、理論をどのように実践することができますか？結局のところ、薄層に局在する量子の大きなフラックスを扱うためには、それらの動きに垂直な方向にそれらの局在領域を作りたいので、それらはこの薄層で非常によく伝播する必要があります。ナノメートルの寸法。

表面プラズモンの顕微鏡
表面プラズモンの光励起のスキーム。 1 - 屈折率が高い透明な媒体。 2 - 薄い金属膜

これは、プラズモンが救助に来るところです。プラズモンは、イオンに対する伝導電子の振動から生じる準粒子（量子）です。金属などの固体の場合、これらは結晶のイオンコアに対する伝導電子の振動です。

それらは、電子、陽子、中性子などの実際の量子粒子と区別するために準粒子と呼ばれます。それらの違いは、金属を加熱して元の原子のガスに変えると、そこにあるという事実にあります。プラズモンはありません。それらは全体として金属がある場合にのみ存在します。

表面プラズモンの顕微鏡
レーザービームを表面プラズモンフラックスに変換し、それをミニプリズムの作用面の端に集中させるためのスキーム

以下では、励起場がない場合の表面電荷の振動に関連する電磁界量子に関心があります。通常のプラズモンとの類推により、準粒子 - 表面プラズモン (SP) が導入されます。それらの局在領域は、表面電荷が局在する界面の近くにあります。

1902 年、アメリカの眼鏡技師ロバート・ウッドは、回折格子によって回折された光ビームの強度が変化することを発見しました。これは、光学範囲での表面プラズモンの最初の実験的観測でした。しかし、これが理解されたのは 1941 年になって初めて、イタリアの理論物理学者フーゴファノがウッドの異常を説明したときでした。そして1960年代後半になって初めて、アンドレアス・オットーは、ドイツの物理学者の研究で開発されたアイデアを光学範囲の電磁波に適用しました. 彼は、滑らかな表面で PP 波を励起できる条件を策定し、光波長範囲での励起方法を示しました。このようにして、光学範囲における表面プラズモンの実験的研究への道が開かれた。

1971 年、オットーの研究の発表から XNUMX 年後、アーウィンクレッチマンは、光学範囲で表面プラズモンを励起するための別のスキームを提案しました。クレッチマン幾何学では、表面プラズモンが励起される表面上の薄い導電膜が、それらが励起されるプリズムに直接適用されます。

1988 年、Wolfgang Knohl と Benno Rothenhausler は、顕微鏡検査に表面プラズモンを使用することを提案しました。彼らは、既知のパラメータを持つ特別に作られたグリッドを研究するために、クレッチマンスキームに従って表面プラズモンが励起される顕微鏡の実用モデルを実証しました。結果は非常に印象的だったので、すぐにこの新しいデバイスが物理学、化学、生物学、およびテクノロジーで使用されるようになりました。そのシンプルなデザインと高解像度のため、多くの研究者がこの装置に目を向けています。

表面プラズモンの顕微鏡

表面プラズモン顕微鏡の設計は、クレッチマン法による表面プラズモンの励起スキームに基づいています。

S.I. Valyansky: 「金属薄膜が直角三角形のプリズムの斜辺面に蒸着されます。プリズムの側面から、共振曲線の半値幅よりも XNUMX 桁小さい発散を持つ単色の直線偏光で照明されます。このフィルムの場合. さらに, 偏光ベクトルは光の入射面にあります. いわゆる P- 偏光です. フィルムから反射された光はフォトマトリックスに当たり, そこからの信号はコンピューターによって処理されます.フィルムの面での解像度は数ミクロンです。したがって、光路内のプリズムとフォトマトリックスの間に望遠鏡が配置され、フィルムのミクロン領域からの光がいくつかキャプチャされるようにビームを拡大します。フォトマトリックスの要素。

これは、表面プラズモン顕微鏡の単純なスキームの XNUMX つですが、唯一のものではありません。特定の問題を解決するのに便利な多数の変更があります。

表面プラズモン顕微鏡はどのように機能しますか? 表面プラズモンの共鳴励起の条件は、表面プラズモンが励起される金属膜の特性だけでなく、この膜が隣接する媒体の誘電特性にも依存します。金属表面上の任意の薄膜は、環境の誘電特性の局所的な変化として表すことができます。そして、これは、表面プラズモンのこの場所での共鳴励起の状態にすぐに影響します。換言すれば、共鳴曲線は、純粋なフィルムの曲線に対して、この場所で大きな角度の領域にシフトする。

これは、純粋な金属膜の表面プラズモンの最適な励起に対応する角度に顕微鏡を調整すると、測定対象が存在する場所で反射光の強度が大きくなり、この断片を厚くします。」

顕微鏡は厚さには反応しませんが、測定対象の誘電率と厚さに依存するパラメータの変化に反応します。デバイス全体の主要な要素は薄い金属フィルムです。デバイス全体の解像度は、その厚さと品質の正しい選択に依存します。

表面プラズモンの励起は、特定の入射角ではなく、一連の角度で発生します。角度のセットが光子の運動量のセットに対応していることを思い出すと、すべてが明確になります。この理由は、表面プラズモンの寿命が有限であるためです。

顕微鏡の解像度が良くなるほど、PPがより長く伝播できるようになります。その伝播速度が固定されている場合、より短い寿命でそれはより短い距離に広がります。そして、金属膜の粗さによる吸収と散乱のために、経路長は減少することしかできないことは明らかです。

ただし、フィルム表面だけが表面プラズモンの寿命だけでなく、そのバルク特性にも関与しています。金属の誘電率には、実部と虚部の両方があります。後者の存在により、電磁エネルギーが吸収され、したがって、表面プラズモンの寿命が短くなります。したがって、顕微鏡の分解能を高めるには、虚誘電率の最小値を持つ金属を使用する必要があります。シルバーはそんな金属です。

ただし、銀フィルムは急速に劣化し、約 XNUMX 週間で酸化するという欠点があります。しかし、銀膜の表面を保護する方法を開発することで、この困難は克服されました。

金属膜が薄い場合、プリズムの境界が近いため、表面プラズモンが表面励起のままであるよりも減衰してバルク放射に変換する方が有益であるという事実につながります。つまり、その寿命は短くなります。同じ理由で、表面プラズモンの生成に使われるエネルギーの割合は小さくなります。

明らかに、金属フィルムの厚さが大きすぎると、励起電磁波の実質的にすべてのエネルギーがフィルムの体積に吸収され、その表面に到達しません。そして、映画は鏡のように機能します。当然、決定しなければならない最適な厚さがあります。

この効果は、さまざまな遷移層や薄膜を研究する方法として広く使用されています。これは、アプリケーションの主な領域です。顕微鏡はもともと、単分子配向膜が液体表面に形成される瞬間と、固体基板に転写される過程を観察するために設計されました。

もうXNUMXつの応用分野は生物学であり、生物学的対象の直接観察です。この場合、厚さに関する顕微鏡の高解像度よりも、誘電率の変化が小さい元素によって内部構造が決定されるオブジェクトの高解像度が重要です。

通常、生物学者は造影剤を注入して物体を観察し、その後観察することができます。プラズマ顕微鏡を使用すると、これらのトリックなしでそれらを観察することができます。このような顕微鏡を使用すると、例えば、水性媒体中の細胞質と細胞壁との間の境界を区別することができる。

顕微鏡 (PP 共鳴に基づくセンサー) を使用して、化学的および生化学的反応の動力学を記録し、表面に形成される複合体のサイズを制御できます。

著者：Musskiy S.A.

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