सतह प्लासमॉन अनुनाद

सतह प्लासमॉन अनुनाद (एसपीआर) एक ऐसी घटना है जो तब होती है जब एक पतली धातु की शीट में इलेक्ट्रॉन प्रकाश से उत्तेजित हो जाते हैं जो कि एक विशेष कोण के साथ शीट पर निर्देशित होता है, और फिर शीट के समानांतर यात्रा करता है। एक निरंतर प्रकाश स्रोत तरंगदैर्ध्य मानते हुए और धातु शीट पतली होती है, घटना का कोण जो एसपीआर को ट्रिगर करता है वह सामग्री के अपवर्तक सूचकांक से संबंधित होता है और यहां तक कि अपवर्तक सूचकांक में एक छोटा सा परिवर्तन भी एसपीआर को नहीं देखा जाता है। यह एसपीआर को विशेष पदार्थों (विश्लेषण) का पता लगाने के लिए एक संभावित तकनीक बनाता है और विभिन्न महत्वपूर्ण बायोमार्कर का पता लगाने के लिए एसपीआर बायोसेंसर विकसित किए गए हैं।

स्पष्टीकरण
सतह प्लासमॉन पोलरिटोन, एक अविकिरित विद्युत चुम्बकीय सतह तरंग है, जो ऋणात्मक अनुमति परावैद्युत पदार्थ अंतराफलक के समांतर दिशा में प्रसारित होती है। जैसे कि संचालन सतह पर अणुओं का सोखना, चूँकि तरंग चालक और बाहरी माध्यम (उदाहरण के लिए हवा, पानी या निर्वात) की सीमा पर होती है, ये दोलन इस सीमा के किसी भी परिवर्तन के प्रति बहुत संवेदनशील होते हैं।

सतह प्लासमॉन पोलरिटोन के अस्तित्व और गुणों का वर्णन करने के लिए, कोई भी विभिन्न मॉडलों (क्वांटम सिद्धांत, ड्रूड मॉडल, आदि) से चुना जा सकता है, समस्या का समाधान करने की सबसे सरल विधि प्रत्येक सामग्री को एक सजातीय सातत्य के रूप में व्यवहार करना है, जिसे बाहरी माध्यम और सतह के बीच एक आवृत्ति-निर्भर सापेक्ष स्थिर पारगम्यता द्वारा वर्णित किया गया है। यह मात्रा, इसके पश्चात सामग्री को परावैद्युत कार्य के रूप में संदर्भित, जटिल पारगम्यता है। इलेक्ट्रॉनिक सतह प्लासमॉन के अस्तित्व का वर्णन करने वाली शर्तों के लिए, परिचालक के परावैद्युत स्थिरांक का वास्तविक भाग ऋणात्मक होना चाहिए और इसका परिमाण परावैद्युत से अधिक होना चाहिए, यह स्थिति हवा धातु और पानी धातु इंटरफेस के लिए इन्फ्रारेड-दृश्य तरंग दैर्ध्य क्षेत्र में मिलती है, (जहां धातु का वास्तविक परावैद्युत स्थिरांक ऋणात्मक होता है और हवा या पानी सकारात्मक होती है)।

एलएसपीआर (लोकलाइज्ड सतह प्लासमॉन अनुनाद) धात्विक नैनोकणों में सामूहिक इलेक्ट्रॉन आवेश दोलन हैं जो प्रकाश से उत्तेजित होते हैं। वे अनुनाद तरंग दैर्ध्य पर निकट क्षेत्र के आयाम को बढ़ाते हैं। यह क्षेत्र नैनोकणों पर अत्यधिक स्थानीयकृत सतह समतल नैनोकणों परावैद्युत इंटरफ़ेस से परावैद्युत पृष्ठभूमि में तेजी से दूर हो जाता है, चूंकि कण द्वारा दूर क्षेत्र का बिखराव भी अनुनाद द्वारा बढ़ाया जाता है। प्रकाश की तीव्रता में वृद्धि एलएसपीआर का एक बहुत ही महत्वपूर्ण पहलू है और स्थानीयकरण का मतलब है कि एलएसपीआर में बहुत अधिक स्थानिक संकल्प (सबवेवलेंग्थ) है, जो मात्र नैनोकणों के बनावट तक सीमित है। बढ़े हुए क्षेत्र आयाम के कारण, मैग्नेटो-ऑप्टिकल प्रभाव जैसे आयाम पर निर्भर होने वाले प्रभाव भी एलएसपीआर द्वारा बढ़ाए जाते हैं।

कार्यान्वयन
गुंजयमान विधियों से सतह प्लासमॉन पोलरिटोन को उत्तेजित करने के लिए, कोई इलेक्ट्रॉन बमबारी या घटना प्रकाश किरण (दृश्यमान और अवरक्त विशिष्ट हैं) का उपयोग कर सकता है। आने वाली बीम को अपनी गति को प्लासमॉन से मिलाना होता है। ध्रुवीकरण (तरंगों) के स्थिति में पी-ध्रुवीकृत प्रकाश (ध्रुवीकरण घटना के विमान के समानांतर होता है), यह तरंग संख्या (और गति) को बढ़ाने के लिए कांच के एक ब्लॉक के माध्यम से प्रकाश पारित करके संभव होती है, और इसी प्रकार अनुनाद प्राप्त किसी दिए गए तरंग दैर्ध्य और कोण पर ध्रुवीकरण (तरंगें) एस-ध्रुवीकृत प्रकाश (ध्रुवीकरण घटना के विमान के लंबवत होता है) इलेक्ट्रॉनिक सतह प्लासमॉन को उत्तेजित नहीं कर सकता है। इलेक्ट्रॉनिक और चुंबकीय सतह प्लास्मॉन निम्नलिखित फैलाव संबंध का पालन करते हैं:


 * $$ k(\omega) = \frac{\omega}{c} \sqrt{\frac{\varepsilon_1 \varepsilon_2 \mu_1 \mu_2}{\varepsilon_1 \mu_1 + \varepsilon_2 \mu_2}} $$

जहां k($$\omega$$) तरंग सदिश है, $$\varepsilon$$ सापेक्ष पारगम्यता है, और $$\mu$$ सामग्री की सापेक्ष पारगम्यता है (1: ग्लास ब्लॉक, 2: धातु फिल्म), जबकि $$\omega$$ कोणीय आवृत्ति है और $${c}$$ निर्वात में प्रकाश की गति है।

विशिष्ट धातुएं जो सतह के प्लासमॉन का समर्थन करती हैं, वे चांदी और सोना हैं, लेकिन तांबे, टाइटेनियम या क्रोमियम जैसी धातुओं का भी उपयोग किया गया है।

एसपी तरंगों को उत्तेजित करने के लिए प्रकाश का उपयोग करते समय, दो विन्यास हैं जो सर्वविदित हैं। स्वायत्तता विन्यास में, प्रकाश एक ग्लास ब्लॉक की दीवार को प्रकाशित करता है, सामान्यतः एक प्रिज्म, और कुल आंतरिक प्रतिबिंब होता है। एक पतली धातु की फिल्म (उदाहरण के लिए सोना) प्रिज्म की दीवार के अधिक निकट स्थित है जिससे की एक क्षणभंगुर लहर सतह पर प्लाज्मा तरंगों के साथ बातचीत कर सके और इस प्रकार प्लासमॉनस को उत्तेजित कर सकते है।

क्रेटसच्मैंन विन्यास (जिसे क्रेटसच्मैंन-रायथर विन्यास के रूप में भी जाना जाता है) में, धातु की फिल्म ग्लास ब्लॉक पर वाष्पित हो जाती है, प्रकाश फिर से कांच के ब्लॉक को रोशन करता है, और धातु की फिल्म के माध्यम से एक क्षणभंगुर लहर प्रवेश करती है। फिल्म के बाहरी भाग में प्लासमॉन उत्साहित हैं। यह विन्यास अधिकांश व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है।

एसपीआर उत्सर्जन
जब सतह प्लासमॉन लहर एक स्थानीय कण या अनियमितता के साथ संपर्क करती है, जैसे सतह खुरदरापन, ऊर्जा का भाग प्रकाश के रूप में फिर से उत्सर्जित किया जा सकता है। इस उत्सर्जित प्रकाश को विभिन्न दिशाओं से धातु की फिल्म के पीछे देखा जा सकता है।

विश्लेषणात्मक कार्यान्वयन
भूतल प्लासमॉन प्रतिध्वनि विश्लेषणात्मक उपकरण में लागू किया जा सकता है। एसपीआर उपकरणों में एक प्रकाश स्रोत, एक इनपुट योजना, विश्लेषण इंटरफ़ेस वाला एक प्रिज्म, एक डिटेक्टर और कंप्यूटर सम्मलित हैं।

डिटेक्टर
सतह प्लासमॉन प्रतिध्वनि में उपयोग किए जाने वाले डिटेक्टर धातु की फिल्म से परावर्तित प्रकाश के फोटॉनों को विद्युत संकेत में परिवर्तित करते हैं। एक स्थिति संवेदन डिटेक्टर (पीएसडी) या चार्ज-युग्मित उपकरण (सीसीडी) का उपयोग डिटेक्टरों के रूप में संचालित करने के लिए किया जा सकता है।

अनुप्रयोग
रोशनी, रमन बिखरना और दूसरी-हार्मोनिक पीढ़ी सहित कई स्पेक्ट्रोस्कोपिक मापों की सतह संवेदनशीलता को बढ़ाने के लिए सतह प्लासमॉनस का उपयोग किया गया है। चूंकि, अपने सरलतम रूप में, एसपीआर परावर्तन माप का उपयोग आणविक सोखना, जैसे पॉलिमर, डीएनए या प्रोटीन आदि का पता लगाने के लिए किया जा सकता है। तकनीकी रूप से, न्यूनतम प्रतिबिंब के कोण (अधिकतम अवशोषण के कोण) को मापना सामान्य है। पतली (लगभग एनएम मोटाई) फिल्म सोखने के समय यह कोण 0.1° के क्रम में बदलता है। (उदाहरण भी देखें) अन्य स्थितियों में अवशोषण तरंग दैर्ध्य में परिवर्तन का पालन किया जाता है, पता लगाने का तंत्र इस बात पर आधारित है कि सोखने वाले अणु अपवर्तन के स्थानीय सूचकांक में परिवर्तन का कारण बनते हैं, जिससे सतह समतल तरंगों की प्रतिध्वनि की स्थिति बदल जाती है। हाल ही में विकसित प्रतिस्पर्धी प्लेटफॉर्म में समान सिद्धांत का शोषण किया जाता है, जो नुकसान रहित परावैद्युत बहुपरतों (वितरित-ब्रैग-रिफ्लेक्टर) पर आधारित होता है, जो तेज अनुनादों (बलोच सतह तरंगों) के साथ सतह विद्युत चुम्बकीय तरंगों का समर्थन करता है।

यदि पर्याप्त प्रकाशिकी और इमेजिंग सेंसर (अर्थात एक कैमरा) का उपयोग करके सतह को विभिन्न बायोपॉलिमर्स के साथ प्रतिरूपित किया जाता है, तो तकनीक को सतह प्लासमॉन अनुनाद माइक्रोस्कोपी (एसपीआरआई) तक बढ़ाया जा सकता है। यह विधि अणुओं की अधिशोषित मात्रा के आधार पर छवियों का एक उच्च कंट्रास्ट प्रदान करती है, कुछ सीमा तक ब्रूस्टर के कोण माइक्रोस्कोपी के समान यह इसके पश्चात वाले लैंगमुइर-ब्लॉडगेट गर्त के साथ सबसे अधिक उपयोग किया जाता है।

नैनोकणों के लिए, स्थानीयकृत सतह प्लासमॉन दोलन नैनोकणों वाले निलंबन (रसायन विज्ञान) या सोल (कोलॉइड) के तीव्र रंगों को जन्म दे सकते हैं। महान धातुओं के नैनोकण या नैनोवायर पराबैंगनी-दृश्य प्रकाश व्यवस्था में मजबूत अवशोषण बैंड प्रदर्शित करते हैं जो थोक धातु में उपलब्ध नहीं होते हैं। सेल की सतह पर धातु नैनोकणों को जमा करके फोटोवोल्टिक कोशिकाओं में प्रकाश अवशोषण को बढ़ाने के लिए इस असाधारण अवशोषण वृद्धि का फायदा उठाया गया है। इस अवशोषण की ऊर्जा (रंग) भिन्न होती है जब प्रकाश नैनोवायर के साथ या लंबवत ध्रुवीकृत होता है। नैनोकणों के सोखने पर अपवर्तन के स्थानीय सूचकांक में परिवर्तन के कारण इस प्रतिध्वनि में बदलाव का उपयोग डीएनए या प्रोटीन जैसे बायोपॉलिमर्स का पता लगाने के लिए भी किया जा सकता है।

संबंधित पूरक तकनीकों में प्लासमॉन वेवगाइड अनुनाद, क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस, असाधारण ऑप्टिकल ट्रांसमिशन और दोहरे-ध्रुवीकरण इंटरफेरोमेट्री सम्मलित हैं।

एसपीआर प्रतिरक्षा
पहले एसपीआर इम्यूनोएसे को 1983 में लिंकोपिंग इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (स्वीडन) के लिडबर्ग, नाइलैंडर और लुंडस्ट्रॉम द्वारा प्रस्तावित किया गया था। उन्होंने सोख लिया मानव इम्युनोग्लोबुलिन जी को 600-एंगस्ट्रॉम सिल्वर फिल्म पर, और पानी के घोल में मानव-विरोधी आईजीजी का पता लगाने के लिए परख का उपयोग किया, एलिसा जैसे कई अन्य इम्युनोएसेज़ के विपरीत, एक एसपीआर इम्युनोसेज़ लेबल मुक्त होता है जिसमें विश्लेषण का पता लगाने के लिए एक फ्लोरोसेंट लेबलिंग की आवश्यकता नहीं होती है। इसके अतिरिक्त, एसपीआर पर मापों का वास्तविक समय में पालन किया जा सकता है, जिससे अनुक्रमिक बाध्यकारी घटनाओं में व्यक्तिगत चरणों की देख-रेख की अनुमति मिलती है, उदाहरण के लिए परिसरों के मूल्यांकन में विशेष रूप से उपयोगी होता है।

सामग्री लक्षण वर्णन
बहु-पैरामीट्रिक सतह प्लासमॉन अनुनाद, एसपीआर का एक विशेष विन्यास, परतों और परतों के ढेर को चिह्नित करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। बाध्यकारी कैनेटीक्स के अतिरिक्त, एमपी-एसपीआर परत की वास्तविक मोटाई और अपवर्तक सूचकांक के संदर्भ में संरचनात्मक परिवर्तनों पर भी जानकारी प्रदान कर सकता है। एमपी-एसपीआर को लिपिड लक्ष्यीकरण और टूटना के मापन में सफलतापूर्वक लागू किया गया है, सीवीडी-जमा ग्राफीन की एकल मोनोलेयर (3.7Å) साथ ही माइक्रोमीटर मोटी पॉलिमर है।

डेटा व्याख्या
सबसे सामान्य डेटा व्याख्या फ्रेस्नेल समीकरणों पर आधारित है, जो गठित पतली फिल्मों को अनंत, निरंतर परावैद्युत परतों के रूप में मानते हैं। इस व्याख्या के परिणामस्वरूप कई संभावित अपवर्तक सूचकांक और मोटाई मान हो सकते हैं। सामान्यतः मात्र एक समाधान उचित डेटा सीमा के भीतर होता है। बहु-पैरामीट्रिक सतह समतल अनुनाद में, दो भिन्न-भिन्न तरंग दैर्ध्य पर कोणों की एक श्रृंखला को स्कैन करके दो एसपीआर वक्र प्राप्त किए जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप मोटाई और अपवर्तक सूचकांक दोनों के लिए एक अनूठा समाधान होता है।

धातु कण प्लासमॉन सामान्यतः एमआईई बिखरने के सिद्धांत का उपयोग करके तैयार किए जाते हैं।

कई स्थितियों में कोई विस्तृत मॉडल लागू नहीं किया जाता है, लेकिन सेंसर को विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए कैलिब्रेट किया जाता है, और अंशांकन वक्र के भीतर प्रक्षेप के साथ उपयोग किया जाता है।

उपन्यास अनुप्रयोग
एसपीआर उपकरण की बहुमुखी प्रतिभा के कारण, यह तकनीक अन्य दृष्टिकोणों के साथ अच्छे प्रकार से जोड़ती है, जिससे जैव चिकित्सा और पर्यावरण अध्ययन जैसे विभिन्न क्षेत्रों में उपन्यास अनुप्रयोग होते हैं।

जब नैनोटेक्नोलॉजी के साथ युग्मित किया जाता है, तो एसपीआर बायोसेंसर चिकित्सीय प्रत्यारोपण के लिए वाहक के रूप में नैनोकणों का उपयोग कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, अल्जाइमर रोग के उपचार में, नैनोपार्टिकल का उपयोग चिकित्सीय अणुओं को लक्षित विधियों से वितरित करने के लिए किया जा सकता है। सामान्यतः, एसपीआर बायोसेंसिंग इस तकनीक के लेबल-मुक्त होने, लागत में कम होने, पॉइंट-ऑफ-केयर सेटिंग्स में लागू होने और छोटे अनुसंधान समूहों के लिए तेजी से परिणाम देने में सक्षम होने के कारण बायोमेडिकल क्षेत्र में अन्य दृष्टिकोणों पर लाभ प्रदर्शित करते है।

पर्यावरण प्रदूषकों के अध्ययन में, एसपीआर इंस्ट्रूमेंटेशन का उपयोग पूर्व क्रोमैटोग्राफी-आधारित तकनीकों के प्रतिस्थापन के रूप में किया जा सकता है। समय के साथ एक पारिस्थितिकी तंत्र में प्रदूषण में वृद्धि की देख-रेख के लिए वर्तमान प्रदूषण अनुसंधान क्रोमैटोग्राफी पर निर्भर करता है। जब एक उभरता हुआ प्रदूषक क्लोरोफीन का पता लगाने के लिए क्रेटसच्मैंन प्रिज्म विन्यास के साथ एसपीआर इंस्ट्रूमेंटेशन का उपयोग किया गया था, तो यह प्रदर्शित किया गया था कि एसपीआर में क्रोमैटोग्राफी तकनीकों के समान त्रुटिहीनता और त्रुटिहीनता के स्तर हैं। इसके अतिरिक्त, एसपीआर संवेदन क्रोमैटोग्राफी तकनीकों को अपने उच्च गति, सीधे विश्लेषण के माध्यम से पार करता है।

लेयर-बाय-लेयर सेल्फ असेंबली
सतह प्लासमॉन अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी के पहले सामान्य अनुप्रयोगों में से एक सोने के सबस्ट्रेट्स पर अधिशोषित स्व-इकट्ठे नैनोफिल्म की मोटाई (और अपवर्तक सूचकांक) का माप था। जैसे-जैसे अधिशोषित फिल्म की मोटाई बढ़ती है अनुनाद वक्र उच्च कोणों की ओर खिसकते हैं। यह उदाहरण एक 'स्थिर एसपीआर' माप है।जब उच्च गति का अवलोकन वांछित होता है, तो अनुनाद बिंदु (न्यूनतम परावर्तकता का कोण) के ठीक नीचे एक कोण का चयन किया जा सकता है, और उस बिंदु पर परावर्तन परिवर्तन को माप सकते हैं। यह तथाकथित 'डायनेमिक एसपीआर' माप है, डेटा की व्याख्या यह मानती है कि माप के समय फिल्म की संरचना महत्वपूर्ण रूप से नहीं बदलती है।

बाध्यकारी निरंतर दृढ़ संकल्प
जब दो लिगन्डों की आत्मीयता निर्धारित की जाती है, तो संतुलन पृथक्करण स्थिरांक निर्धारित किया जाना चाहिए, यह उत्पाद भागफल के लिए संतुलन मूल्य है। यह मान गतिशील एसपीआर मापदंडों का उपयोग करके भी पाया जा सकता है और, जैसा कि किसी भी रासायनिक प्रतिक्रिया में होता है, यह संघ दर से विभाजित पृथक्करण दर है।

इसके लिए एसपीआर क्रिस्टल की डेक्सट्रान सतह पर एक चारा लिगेंड को स्थिर किया जाता है। एक मइक्रोफ्लूइडिक्स प्रणाली के माध्यम से, चारा परत पर शिकार विश्लेषण के साथ एक समाधान इंजेक्ट किया जाता है। जैसा कि शिकार विश्लेषण चारा लिगैंड को बांधता है, एसपीआर संकेत में वृद्धि (प्रतिक्रिया इकाइयों, आरयू में व्यक्त) देखी जाती है। वांछित संघ समय के पश्चात, शिकार विश्लेषण (सामान्यतः बफर) के बिना एक समाधान को माइक्रोफ्लुइडिक्स पर इंजेक्ट किया जाता है जो चारा लिगैंड और शिकार विश्लेषण के बीच बाध्य परिसर को भिन्न कर देता है। अब जैसा कि विश्लेषण चारा लिगैंड से भिन्न हो जाता है, एसपीआर संकेत (अनुनाद इकाइयों, आरयू में व्यक्त) में कमी देखी जाती है। इन संघों से ('दर पर', $k_{a}$) और हदबंदी दर ('बंद दर', $k_{d}$), संतुलन पृथक्करण स्थिरांक ('बाध्यकारी स्थिरांक', $K_{D}$) की गणना की जा सकती है।

वास्तविक एसपीआर संकेत को सोने की परत की सतह समतल के साथ घटना प्रकाश के विद्युत चुम्बकीय 'युग्मन' द्वारा समझाया जा सकता है। यह प्लासमॉन सोने-घोल इंटरफ़ेस अर्थात चारा प्रोटीन और संभवतः शिकार प्रोटीन के पार कुछ नैनोमीटर की परत से प्रभावित हो सकता है। बंधन प्रतिबिंब कोण परिवर्तन करता है;


 * $$K_{\rm D} = \frac{k_{\text{d}}}{k_{\text{a}}}$$

ऊष्मप्रवैगिकी विश्लेषण
जैसा कि एसपीआर बायोसेंसर विभिन्न तापमानों पर माप की सुविधा प्रदान करते हैं, ऊष्मप्रवैगिकी विश्लेषण किया जा सकता है, अध्ययन की गई बातचीत की उत्तम समझ प्राप्त करने के लिए विभिन्न तापमानों पर मापन करके, सामान्यतः 4 और 40 डिग्री सेल्सियस के बीच, सक्रियण के साथ जुड़ाव और हदबंदी दर स्थिरांक को जोड़ना संभव है।

गिब्स मुक्त ऊर्जा और ताप क्षमता, ऊर्जा और इस प्रकार बाइंडिंग एन्थैल्पी, बाइंडिंग एंट्रॉपी सहित ऊष्मप्रवैगिकी पैरामीटर प्राप्त की जा सकती है।

जोड़ी-वार एपिटोप मैपिंग
जैसा कि एसपीआर वास्तविक समय की देख-रेख की अनुमति देता है, विन्यास में एंटीबॉडी के बीच उपयुक्तता की जांच करते समय अनुक्रमिक बाध्यकारी घटनाओं में व्यक्तिगत कदमों का पूरी प्रकार से मूल्यांकन किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, यह एपिटोप्स के मानचित्रण की अनुमति देता है क्योंकि ओवरलैपिंग एपिटोप्स के एंटीबॉडी एक साथ बातचीत करने में सक्षम लोगों की तुलना में एक क्षीण संकेत से जुड़े होते है।

चुंबकीय प्लासमॉन अनुनाद
हाल ही में, चुंबकीय सतह प्लासमॉन में रुचि रही है। इन्हें बड़ी नकारात्मक चुंबकीय पारगम्यता वाली सामग्रियों की आवश्यकता होती है, एक संपत्ति जिसे हाल ही में मेटामेट्री के निर्माण के साथ उपलब्ध कराया गया है।

यह भी देखें

 * हाइड्रोजन सेंसर
 * बहु-पैरामीट्रिक सतह समतल अनुनाद
 * नैनो प्रकाशिकी
 * प्लासमॉन
 * स्पिनप्लासोनिक्स
 * सतह प्लासमॉन पोलरिटोन
 * प्लाज़्मा में तरंगें
 * स्थानीयकृत सतह समतल
 * क्वार्ट्ज क्रिस्टल माइक्रोबैलेंस

अग्रिम पठन

 * A selection of free-download papers on Plasmonics in New Journal of Physics