Optical Sensors

1
Optical Sensors

• Fluorescent Biosensors
• Total Internal Reflection
• Surface Plasmon Resonance
• Interferometry

2
Sensory Optyczne

• Biosensory fluorescencyjne
• Calkowite odbicie wewnetrzne
• Rezonans plazmonów powierzchniowych
• Interferometria

3
Fluorescent biosensor design
The fundamental design of a fluorescent biosensor
consists of a receptor binding site and a
fluorophore connected by a linker. The
linker provides a means for triggering a change
in the fluorescence of the attached fluorophore.
Fluorophore
Receptor/ Binder
Linker
Bissel et al. Topics in Current Chemistry, Vol.
168 , Springer Verlag (1993), pp. 223-261
4
Projektowanie biosensora fluorescencyjnego
Podstawowy projekt biosensora fluorescencyjnego
sklada sie z receptorowego miejsca wiazacego i
fluoroforu polaczonych lacznikiem. Lacznik
umozliwia zajscie zmiany we fluorescencji
przylaczonego fluoroforu.
Fluorofor
Receptor/ M. wiazace
Lacznik
Bissel et al. Topics in Current Chemistry, Vol.
168 , Springer Verlag (1993), pp. 223-261
5
Fluorescent biosensors
The principal of operation is that there must be
a fluorescent switch. The switch is triggered by
a binding event. The binding molecule can
quench fluorescence or cause a conformational
change that unquenches fluorescence. One of the
most common quenching mechanisms is electron
transfer hn
DA D1A DA- DA
hn DA In the scheme
above the donor D acts as a fluorescence
quencher.
6
Biosensory fluorescencyjne
Glównym zalozeniem postepowania jest to zeby byl
obecnyprzelacznik fluorescencyjny. Przelacznik
jest uruchamiany podczas procesu wiazania.
Wiazaca sie molekula moze wygaszac fluorescencje
lub powodowac zmiane konformacyjna która
likwiduje wygaszanie fluorescencji. Jednymz
najpopularniejszych mechanizmów wygaszania jest
transfer elektronu hn
DA D1A DA- DA
hn DA Na
powyzszym schemacie donor D zachowuje sie jako
wygaszacz fluorescencji.
7
Energy diagram for a fluorescent sensor
D 1A
8
Diagram energetyczny dla sensora fluorescencyjnego
D 1A
9
Electron transfer quenching of a fluorescent
sensor
Es
D A-
D 1A
10
Wygaszanie sensora fluorescencyjnego oparte o
transfer elektronu
Es
D A-
D 1A
11
Fluorescent sensors
Crown ethers bind sodium with good
selectivity. In the fluorescent molecule shown
below the binding of sodium results in
fluorescence quenching.
Cooper and James SPIE (1999), 3602, 194-201
12
Sensory fluorescencyjne
Etery koronowe wiaza sód z dobra
selektywnoscia. We fluoryzujacej czasteczce
pokazanej ponizej zwiazaniesodu spowoduje
wygaszenie fluorescencji.
Cooper and James SPIE (1999), 3602, 194-201
13
Boronic ester-based biosensorsThe classical
mechanism
Formation of a boron-nitrogen bond can occur by
formation of boronic esters. This interaction
dramatically reduces fluorescence quenching by
the amine nitrogen lone pair. The result is a
switch from a non-fluorescent to fluorescent
state upon binding to a saccharide.
Cooper and James SPIE (1999), 3602, 194-201
14
Biosensory oparte o estry boranowe mechanizm
klasyczny
Utworzenie wiazania bor-azot moze zajsc dzieki
utworzeniuestrów boranowych. To oddzialywanie
dramatycznie redukuje wygaszanie fluorescencji
przez wolna pare azotu aminowego. W rezultacie
nastepuje przejscie ze stanu niefluoryzujacegodo
fluoryzujacego poprzez zwiazanie sie z cukrem.
Cooper and James SPIE (1999), 3602, 194-201
15
Novel mechanism for fluorescence triggering




Hydrolysis Less Favored
Hydrolysis Strongly Favored
16
Nowatorski mechanizm wywolywania fluorescencji




Hydroliza mniej preferowana
Hydroliza silnie preferowana
17

In aprotic solvents (DMSO, CH3CN, CHCl3),
fluorescence of the ester is lower than that of
the acid



Fluorescence profile of acid in anhydrous DMSO
decreased with the addition of cis-1,
2-cyclopentane diol
18

W rozpuszczalnikach aprotycznych (DMSO, CH3CN,
CHCl3), fluorescencja esteru jest mniejsza niz
kwasu



Profil fluorescencji kwasu w bezwodnym DMSO
obnizony przez dodanie cis-1, 2-cyklopentanodiolu
19
Addition of water increase the fluorescence
intensity



DMSO and Water
20
Dodanie wody zwieksza intensywnosc fluorescencji



DMSO i woda
21
A Hydrolysis Mechanism for Fluorescent State
Switching




Franzen, Ni and Wang J. Phys. Chem. 2003, 107,
12942
22
Mechanizm hydrolizy w przelaczaniu stanów
fluoryzujacych




Franzen, Ni and Wang J. Phys. Chem. 2003, 107,
12942
23
Implantable glucose sensor
Fluorescent molecules
Laser diode
SMSI, Inc.
Detector
Power supply and transmitter
24
Wszczepialny sensor glukozowy
Fluoryzujaca molekula
Diode laserowa
SMSI, Inc.
Detektor
Zasilanie i transmiter
25
Wszczepialny sensor glukozowy
Fluoryzujaca molekula
Diode laserowa
SMSI, Inc.
Detektor
Zasilanie i transmiter
26
Cell Surface Target Molecules




27
Czasteczki docelowe na powierzchni komórek




28
The Approach




29
Metodyka




30
Bidentate design



Computer-aided design can be used to generate
structures that have the appropriate geometry. A
recent example is shown above for sensing of
pyranose.
He and Druekhammer, Angew. Chem. 2001, 40, 1714
31
Konstrukcja dwukleszczowa



Projektowanie wspomagane komputerowo moze byc
uzyte do wygenerowania struktur które posiadaja
odpowiednia geometrie. Wspólczesny przyklad
wykrywnia piranozy pokazano powyzej.
He i Druekhammer, Angew. Chem. 2001, 40, 1714
32
Some Synthesized Diboronic Acids



33
Niektóre zsyntetyzowane kwasy diborowe



34
Fluorescent Cell Targeting Assay
Sialyl Lewis X Sialyl Lewis Y
Control
12q 12a
5 mM Boronic Acid Targeting Molecule
35
Ukierunkowana analizafluorescencyjna komórki
Sjalylowy Lewis X Sjalylowy Lewis Y
Kontrola
12q 12a
5 mM czasteczka docelowa dla kwasu borowego
36
Plasma Frequency
37
Czastotliwosc plazmowa
38
The polarization model The free electron optical
response uses the Drude-Lorentz-Sommerfeld
model. The influence of external forces is
considered for one electron alone and then the
response is multiplied by the number of
electrons. All electrons act in phase in this
model. We consider an electric field
perturbation without local field corrections.
The response of a free electron of mass me and
charge e to an external electric field E
E0e-iwt is described by the drift motion
superimposed on the motion in the field-free
case Where G denotes a phenomenological
damping constant. This equation is readily
solved to give the dipole moment p er0 and
polarization P np ner0, where n is the
number of electrons per unit volume.
39
Model polaryzacyjny Odpowiedz optyczna
swobodnego elektronu opisana jest modelem
Drude-Lorentz-Sommerfeld. Wplyw sil zewnetrznych
mozna rozpatrywac dla pojedynczego elektronu
pózniej odpowiedz ta jestzwielokrotniana przez
liczbe elektronów. Wszystkie elektrony w tym
modelu sa zestrojone fazowo. Zaklada sie
perturbacje pola elektrycznego bez miejscowej
korekcji pola. Odpowiedz swobodnego elektronu o
masie me i ladunku e na zewnetrzne pole
elektryczne E E0e-iwt jest opisana przez ruch
dryfujacy nalozony na ruch w sytuacji wolnej od
pola gdzie G oznacza fenomenologiczna stala
tlumienia. Rozwiazanie tegorównania daje moment
dipolowy p er0 i polarizacje P np ner0,
gdzie n jest liczba elektronów na jednostke
objetosci.
40
Solution using the dielectric susceptibility Cons
ider isotropic media where PE and therefore P
c(w)e0E where c(w) is the (frequency dependent)
dielectric susceptibility and e0 is the
permittivity of vacuum. The polarization P
connects to the dielectric function e(w) by the
definition c(w) e(w) - 1 so that P (e(w) -
1)e0E. Thus, we can obtain an expression for the
equation of motion in terms of the
polarization and the perturbing electric
field where the frequency-dependence of the
response is contained in the dielectric
susceptibility.
41
Rozwiazanie z uzyciem podatnosci
dielektrycznej Zalozono izotropowe media gdzie
PE, skad P c(w)e0E, gdzie c(w) jest (zalezna
od czestotliwosci) podatnoscia dielektryczna a
e0 jest przenikalnoscia elektryczna prózni.
Polaryzacja P jest zwiazana z funkcja
dielektryczna e(w) przez definicje c(w) e(w) -
1 a wiec P (e(w) - 1)e0E. A zatem, mozemy
otrzymac wyrazenie na równanie ruchu w
zaleznosci od polaryzacji i perturbacyjne pole
elektryczne gdzie zalezna od czestotliwosci
odpowiedz jest zawarta w podatnosci
dielektrycznej.
42
Solution using the dielectric susceptibility
(contd) We obtain a solution by substituting in
E E0e-iwt to obtain We cancel E0e-iwt on
both sides and solve for c(w). which can
also be written as
43
Rozwiazanie z uzyciem podatnosci dielektrycznej
(c.d.) Otrzymujemy rozwiazanie przez
podtstawienie w E E0e-iwt co daje
eliminujemy E0e-iwt po obu stronach i
rozwiazujemy ze wzgledu na c(w) co moze byc
takze zapisane jako
44
The complex dielectric constant according to
Drude From the definition c(w) e(w) - 1 and
the definition of the Drude plasmon resonance
frequency we have The relaxation constant G
can be related to the electron mean free path l
and the Fermi velocity vF by G vF/l
45
Zlozona stala dielektryczna wedlug
Drudea Zdefinicji c(w) e(w) - 1 i definicji
czestotliwosci rezonansu plazmonowego
Drudea mamy Stala relaksacji G moze byc
powiazana ze srednia droga swobodna elektronu l
i predkoscia Fermiego vF poprzez wzór G vF/l
46
Nanoparticle Plasmon Resonance
47
Resonans plazmonowynanoczastek
48
Plasmon Resonance Absorption
The plasmon resonance frequency wp is predicted
by the Drude free electron model. For a bulk
material
n is the number of free carriers e is the charge
on the electron
30 nm particle
49
Absorpcja rezonansu plazmonowego
Czestotliwosc rezonansu plazmonowego wp jest
okreslona przez model elektronów swobodnych
Drudea.Dla ciala masywnego
n jest liczba wolnych poziomów e jest ladunkiem
elektronu
30 nm particle
50
Home Pregnancy TestColloidal gold coated with
HcG antibody
51
Domowy test ciazowyzloto kloidalne oplaszczone
przeciwcialem HcG
52
Home Pregnancy TestAnalyte is present
53
Domowy test ciazowyAnalite jest obecny
54
Home Pregnancy TestGold aggregates
Absorption band shifts due to aggregation
and color changes from pink to blue.
55
Domowy test ciazowyZloto agreguje
Pasmo absorpcji przesuwa sie z powodu agregacji a
kolor zmienia sie z rózowego na niebieski.
56
Surface plasmon resonance
57
Powierzchniowy rezonans plazmonowy
58
Surface plasmon resonance
Surface plasmon resonance (SPR) is a phenomenon
which occurs when light is reflected off thin
metal films. A fraction of the light energy
incident at a sharply defined angle can interact
with the delocalised electrons in the metal film
(plasmon) thus reducing the reflected light
intensity. The precise angle of incidence at
which this occurs is determined by a number of
factors. In biosensor applications the principal
determinant becomes the refractive index close to
the backside of the metal film. Target molecules
are immobilised and addressed by ligands. If
binding occurs to the immobilised target the
local refractive index changes, leading to a
change in SPR angle, which can be monitored in
real-time by detecting changes in the intensity
of the reflected light. These changes can be used
to determine affinity constants.
59
Powierzchniowy rezonans plazmonowy
Powierzchniowy rezonans plazmonowy (SPR) jest to
zjawisko które zachodzi kiedy swiatlo jest
odbijane od cienkich filmów metalowych. Czesc
energii swiatla padajacego pod ostrym katem moze
oddzialywac z elektronami zdelokalizowanymi w
metalowym filmie (plazmonie) co redukuje
intensywnosc swiatla odbitego. Dokladny kat
padania przy którym to zachodzi jest okreslony
przez kilka czynników. W biosensorycznych
zastosowaniach glównym wyznacznikiem staje sie
wspólczynnik refrakcji blisko podstawy metalowego
filmu. Czasteczki docelowe sa immobilizowane i
adresowane przez ligandy. Jesli zaszlo wiazanie
do immobilizowanego celu lokalny wspólczynnik
refrakcji zmienia sie, prowadzac do zmiany w
kacie SPR, co mozna monitorowac w czasie
rzeczywistym poprzez detekcje zmian w
intensywnosci swiatla odbitego. Te zmiany uzyc
mozna do wyznaczenia stalych powinowactwa.
60
SPR implementation
Reflected Light
Incident Light
I
Flow Cell
Molecules in solution exhibit changes in
refractive index and give rise to a measurable
SPR signal when binding occurs.
61
Zastosowanie SPR
Swiatlo odbite
Swiatlo padajace
I
Naczynieprzeplywowe
Molekuly w roztworze powoduja zmianywe
wspólczynniku refrakcji i sa przyczyna
mierzalnego sygnalu SPR kiedy wiazanie zachodzi.
62
SPR implementation
Incident Light
Reflected Light
II
Flow Cell
Molecules in solution exhibit changes in
refractive index and give rise to a measurable
SPR signal when binding occurs.
63
Zastosowanie SPR
Swiatlo padajace
Swiatlo odbite
II
Naczynieprzeplywowe
Molekuly w roztworze powoduja zmianywe
wspólczynniku refrakcji i sa przyczyna
mierzalnego sygnalu SPR kiedy wiazanie zachodzi.
64
SPR applications

• Ligand - Receptor interaction
• Antigen-Antibody interaction
• Protein - Protein interaction
• RNA - Protein interaction
• DNA - DNA interaction
• Cell - Protein interaction
• Drug Screening
• Real-time monitoring for gene expression

65
Zastosowanie SPR

• oddzialywania Ligand - Receptor
• oddzialywania Antygen - Przeciwcialo
• oddzialywania Bialko - Bialko
• oddzialywania RNA - Bialko
• oddzialywania DNA - DNA
• oddzialywania Komórka - Bialko
• poszukiwanie (screening) leków
• monitorowanie w czasie rzeczywistym ekspresji
  genów

66
We can consider the general case of light
impinging on a surface. There are three rays we
can follow i incident r reflected t
transmitted or refracted There are two processes
that are considered in basic physics courses.
Reflection qr qi Refraction nrsinqr
nisinqi (Snells law) For plasmons p-polarized
light must be used. The electric vector is
parallel to (in) the plane of incidence.
67
Rozwazmy przypadek ogólny swiatla uderzajacegoo
powierzchnie. Sa trzy promienie za którymi mozemy
podazyc i padajacy (incident) r odbity
(reflected) t przepuszczony (transmitted) lub
zalamany (refracted) Sa dwa procesy zawarte w
podstawowych kursach fizyki. Odbicie qr
qi Zalamanie nrsinqr nisinqi (prawo
Snella) Dla plazmonów musi byc uzyte swiatlo o
polaryzacji p. Wektor elektryczny jest
równolegly do plaszczyzny padania.
68
n2 lt n1
z
kr
ki
qi
qr
n1
x
y
n2
qt
kt
69
n2 lt n1
z
kr
ki
qi
qr
n1
x
y
n2
qt
kt
70
Maxwells equation leads to wave equation
The solution is a plane wave
71
Równanie Maxwella prowadzi do równania falowego
Rozwiazaniem jest fala plaska
72
The dispersion is obtained by plugging this
solution into the wave equation Dispersion
refers to a frequency dependence. There is a
dispersion relation for molecular absorption
(i.e. it depends on frequency). Here the
dispersion is the dependence of the wavevector k
on frequency. Recall that the wavevector
is related to the spatial component of the
radiation. It is the angle of incidence that
changes the spatial component of surface
incidence.
73
Rozpraszanie otrzymuje sie przez podstawienie
tegorozwiazania do równania fali Rozpraszanie
jest zalezne od czestotliwosci.
Istniejeodniesienie rozpraszania do absorpcji
molekularnej(np. zaleznosc od czestotliwosci).
Tutaj rozpraszaniejest zaleznoscia wektora
falowego k od czestotliwosci. Pamietac nalezy o
tym ze wektor falowy jest powiazany z
przestrzenna skladowapromieniowania. To kat
padania zmienia przestrzenna skladowa padania na
powierzchnie .
74
z
Red double arrow gives the electric vector of
the incident radiation.
x
y
ki
75
z
Czerwona podwójna strzalkaprzedstawia wektor
elektrycznypadajacego promieniowania
x
y
ki
76
z
x
y
ki
77
z
x
y
ki
78
z
Note how the projection of the wave on the
surface changes with angle.
x
y
ki
79
z
Zauwazyc mozna jak rzut fali na powierzchnie
zmienia sie z katem.
x
y
ki
80
Now we include the fact that there are two
different indices of refraction on either side of
the surface. Stokes theorem states that the
tangential E and H must be continuous. The unit
vector y is the direction Of the magnetic vector.
81
W tym miejscu uwzgledniamy fakt ze sa dwa
róznewspólczynniki refrakcji po kazdej stronie
powierzchni. Teoremat Stokesa glosi ze tangensowe
E i H muszabyc ciagle. Wektor jednostkowy y jest
kierunkiem Wektora magnetycznego.
82
How can the different k values match up?
z
ki
kr
x
y
kt
83
Czemu odpowiadaja rózne wartosci k?
z
ki
kr
x
y
kt
84
Fresnel Equations
85
Równania Fresnela
86
Fresnel Equations To calculate the relative
intensities of reflected and refracted waves in
terms of the energy of the incident wave, we
introduce Fresnel's equations. We consider the
two polarizations of electromagnetic radiation
at the interface between two media of different
indices of refraction (n1 ¹ n2). The derivation
here applies for non-magnetic and non-conducting
media (the magnetic permeability m1 m2).
s-polarized
p-polarized
87
Równania Fresnela Aby wyliczyc relatywne
intensywnosci odbitej i zalamanej fali w
zaleznosci od energii fali padajacej, wprowadzamy
równania Fresnela. Uwzgledniamy dwie polarizacje
promieniowania elektromagnetycznego na granicy
faz pomiedzydwoma osrodkami o róznych
wspólczynnikach refrakcji (n1 ¹
n2).Rózniczkowanie ma tutaj zastosowanie dla
niemagnetycznegoi nieprzewodzacego osrodka
(przenikalnosc magnetyczna m1 m2).
Polaryzacja s
Polarzacja p
88

• We first consider the case where light propagates
  in medium 1
• with index of refraction n1 and impinges medium
  with n2 gt n1.
• This situation is common in our experience since
  light often
• Propagates in air and then reflects off of water
  or glass. The
• issues are
• What is the probability of reflection of the
  light as a function
• of the angle incidence? (Fresnel equations)
• What is the angle of transmission? (Snells law)
• What is the phase change of light for reflection
  and
• transmission?
• 4. What is Brewsters angle?

89

• Poczatkowo uwzglednilismy przypadek gdy swiatlo
  rozchodzi sie w osrodku 1 ze wspólczynnikiem
  refrakcji n1 i uderza w osrodek z n2 gt n1.
• Taka sytuacja jest czesta w naszym doswiadczeniu
  jako zeswiatlo czesto rozchodzi sie w powietrzu
  a potem odbija sie od wody lub szkla. Z tego
  wynikaja nastepujace kwestie
• Jakie jest prawdopodobienstwo odbicia Swiatla
  jako funkcja
• kata padania? (równania Fresnela)
• Jaki jest kat transmisji? (prawo Snella)
• Jaka jest zmiana fazy swiatla dla odbicia i
• transmisji?
• 4. Jaki jest kat Brewstera?

90
s-polarized, n1 lt n2
91
Polaryzacja s, n1 lt n2
92
s-polarized, n1 lt n2
93
Polaryzacja s, n1 lt n2
94
s-polarized, n1 lt n2
Using the proportionality between the wavevector
and the index of refraction
In vacuum
In a medium
Since the frequency does not change as radiation
crosses the boundary and c is the speed of light
k is proportional to n.
95
Polaryzacja s, n1 lt n2
Dzieki wykorzystaniu proporcjonalnosci miedzy
wektorem falowym a wspólczynnikiem refrakcji
W prózni
W osrodku
Dopóki czestotliwosc nie zmienia sie kiedy
promieniowanie przekraczagranice a c jest
predkosciaswiatla, k jest proporcjonalnedo n.
96
p-polarized, n1 lt n2
97
Polaryzacja p, n1 lt n2
98
p-polarized, n1 lt n2
99
Polaryzacja p, n1 lt n2
100
p-polarized, n1 lt n2
s-polarized
p-polarized
101
Polaryzacja p, n1 lt n2
Polaryzacja s
Polaryzacja p
102
Intensity of reflectance for p- and s-polarized
light
n1 lt n2
Brewsters angle
103
Intensywnosc odbicia dlaswiatla spolaryzowanego p
i s
n1 lt n2
Brewsters angle
104
Phase change upon reflection
s-polarized does not change phase if n1 gt n2
s-polarized changes by p if n1 lt n2 (Et changes
sign) For p polarized light, the reflected beam
the ratio Er/Ei can be either negative or
positive depending on both the ratio n1/n2 and
the incident angle qi. The Er component is in
phase with Ei at the interface if Using
Snells law and the sum and difference formulae
105
Zmiana fazy podczas odbicia
s-spolaryzowane nie zmienia fazy jesli n1 gt n2
s-spolaryzowane zmienia sie o p jesli n1 lt n2
(Et zmienia znak) Dla swiatla o polaryzacji p,
odbita wiazka stosunek Er/Ei moze byc zarówno
negatywny jak i pozytywny, zaleznie od stosunku
n1/n2 i kata padania qi. Komponent Er jest
zgodny w fazie z Ei na granicy faz jesli Z
prawa Snella A wzory dla sumy i róznicy
106
Phase change upon reflection
The equation will be satisfied if Thus under
these conditions the reflected p-polarized
beam will not undergo a phase change.
107
Zmiana fazy podczas odbicia
Równanie bedzie spelnione jesli Zatem w tych
warunkach odbita p-spolaryzowana wiazka nie
bedzie podlegac zmianie fazy.
108
The Brewster angle
The electric field intensity of the reflected
wave is either in-phase or p radians
out-of-phase with the incident wave, depending on
whether sin(qt - qi)cos(qt qi) is greater than
or less than zero. There is no reflected wave
when sin(qt - qi)cos(qt qi) 0, that is when
qi qt 0 or qi qt p/2. The latter
condition is called Brewsters angle. Note that,
since all p-polarized light is refracted, any
light reflected from the interface at this angle
must be s-polarized. A glass plate or a stack of
plates placed at Brewster's angle in a light beam
can thus be used as a polarizer. For a glass
medium (n21.5) in air (n11), Brewster's angle
for visible light is approximately 56 to the
normal while for an air-water interface
(n21.33), it's approximately 53. Since the
refractive index for a given medium changes
depending on the wavelength of light, Brewster's
angle will also vary with wavelength.
109
Kat Brewstera
Intensywnosc pola elektrycznego fali odbitej jest
zarówno zgodna w fazie jak i przesunieta o p
radianów w stosunku do fali padajacej,zaleznie
od tego czy sin(qt - qi)cos(qt qi) jest wiekszy
czy mniejszyniz zero. Nie ma fali odbitej kiedy
sin(qt - qi)cos(qt qi) 0, Czyli wtedy gdy
qi qt 0 lub qi qt p/2. Ten ostatni
warunek nosi nazwe kata Brewstera. Zauwazmy ze,
kiedy cale p-spolaryzowane swiatlo ulega
zalamaniu,kazde swiatlo odbite od granicy faz
pod tym katem musi miec polaryzacje s. Plyta
szklana lub stos plyt umieszczony pod katem
Brewstera w wiazce swiatla moze byc wiec uzyty
jako polaryzator. Dla osrodka szklanego (n21.5)
w powietrzu (n11), kat Brewstera dla swiatla
widzialnego wynosi okolo 56 wzgledem
prostopadlej podczasgdy dla franicy faz
powietrze-woda (n21.33), wynosi okolo 53. Jako
zewspólczynnik refrakcji dla danego medium
zmienia sie w zaleznosci oddlugosci fali
swiatla, kat Brewstera takze zmienia sie z
dlugoscia swiatla.
110
Total internal reflection

• Only occurs when n1 gt n2
• The critical angle
• Key geometries
• Conductors vs. Insulators

111
Calkowite odbicie wewnetrzne

• Zachodzi tylko jesli n1 gt n2
• Kat krytyczny
• Kluczowe polozenia
• Przewodniki vs. izolatory

112
Total Internal Reflection
If the angle of incidence is greater than the
critical angle, the wave originating in medium 1
and incident on the interface of two media is
totally reflected back into medium 1. This
phenomenon which is called total reflection,
does not depend on the polarization of the E
vector in the incident wave. It turns out that
Snell's law and Fresnel's equations are
applicable to total reflection if disregard the
fact that sinqt gt 1. .
113
Calkowite odbicie wewnetrzne
Jesli kat padania jest wiekszy niz kat krytyczny,
fala powstajacaw osrodku 1 i padajaca na granice
faz dwóch osrodków jestcalkowicie odbita z
powrotem do wewnatrz osrodka 1. To zjawisko
które jest nazywane calkowitym odbiciem, nie
zalezy od spolaryzowania wektora E fali
padajacej. Okazuje sie ze prawo Snella i równanie
Fresnela moga mieczastosowanie do calkowitego
odbicia jesli pominac to ze sinqt gt 1.
114
Total Internal Reflection
If we now return to the coordinate system used
for the study of reflection and refraction we
can write the waves as The reflected
wave is exactly the same for total reflection as
for any other reflection.
115
Calkowite odbicie wewnetrzne
Jesli teraz powrocimy do ukladu wspólrzednych
uzytego do opisania odbicia i zalamania mozemy
opisac fale jako Fala odbita jest
dokladnie taka sama dla odbicia calkowitegojak
dla kazdego innego odbicia.
116
Total Internal Reflection
The transmitted wave can be expressed in terms of
the condition for total reflection and the above
expression for cosqt. The transmitted wave
(in medium 2) has negative values of z.
Therefore, the wave consists of a traveling
component in the x direction and a decaying
wave z-direction
117
Calkowite odbicie wewnetrzne
Fala przekazana moze byc wyrazona w zaleznosci od
warunkówodbicia calkowitego i powyzszego
wyrazenia dla cosqt. Fala przekazana (w
medium 2) ma ujemne wartosci z.Tak wiec fala
sklada sie z komponentu poruszajacego siew
kierunku x i zanikajacej fali w kierunku z
118
Attenuated total reflection angles q gt qc
Ep Ei
Es Ei
p polarization s polarization
rp 1
ea


rS 1
-
-
z
e0
x
Evanescent Wave in Medium
119
Calkowite oslabione odbicie katy q gt qc
Ep Ei
Es Ei
polaryzacja p polaryzacja s
rp 1
ea


rS 1
-
-
z
e0
x
Fala doskonala w osrodku
120
The dispersion relation

• Propogation in high index medium
• Total internal reflection
• Wavevector matching condition
• Parallel and perpendicular components

121
Rozpraszanie

• rozchodzenie sie w medium o wysokim
  wspolczynniku
• calkowite odbicie wewnetrzne
• wektor falowy odpowiadajacy warunkowi
• skladniki równolegle i prostopadle

122
The electric field at the interface
The coupled fields inside (-) and outside () the
solids are given by where The electric field
of the surface plasmon (SP) represents a
harmonic wave along the surface with a frequency
w and a wave vector kx, while perpendicular to
the surface (z-direction) the fields are
exponentially decaying. The boundary conditions
require that
123
Pole elektryczne na granicy faz
Sprzezone pola wewnatrz (-) i na zewnatrz ()
cial stalychsa dane przez gdzie Pole
elektryczne na powierzchni plazmonu (SP)
reprezentujefale harmoniczna wzdluz powierzchni
z czestotliwoscia w i wektorem fali kx, podczas
gdy prostopadle do powierzchni(w kierunku z)
pola zanikaja eksponencjalnie. Warunki
graniczne wymagaja zeby
124
The SPR Dispersion Relation
es is the dielectric constant of the metal
(substrate) ea is the dielectric constant of the
sample For the metal the dielectric constant
is complex and can be derived from the index of
refraction.
125
Relacje rozpraszania w SPR
es jest stala dielektryczna metalu(substratu) ea
jest stala dielektryczna próbki Dla metalu
stala dielektryczna jest zespolona i moze byc
otrzymana ze wspólczynnika zalamania.
126
Optical constants for ITO
ITO is chosen as an example of a conducting thin
film
Complex index of refraction
127
Stale optyczne dla ITO
ITO (indium tin oxide) zostalo wybrane jako
przyklad przewodzacego cienkiego filmu
Zaspolony wspólczynnik zalamania
128
Dielectric constants for ITO
e1 e2
129
Stale dielektryczne dla ITO
e1 e2
130
ITO Dispersion Curve
131
Krzywa rozpraszania dla ITO
132
Light will couple to drive a surface plasmon
where the light line crosses the dispersion curve.
Light lines
133
Swiatlo sprzega sie plazmonem powierzchniowym
gdzie linia swiatlo przekracza krzywa
rozpraszania.
Linie swiatla
134
ITO Dispersion Curve (expanded)
135
Krzywa rozpraszania dla ITO (rozszerz.)
136
SPR uses a three layer system Attenuated total
reflection (qi gt qc )
p polarization s polarization
eIRE


-
-
em
es
Evanescent Wave in Medium
137
SPR posluguje sie systemem trójwarstwowym
Oslabione calkowite odbicie (qi gt qc )
polaryzacja p polaryzacja s
eIRE


-
-
em
es
Fala zanikajaca w osrodku
138
Kretschmann configuration
eIRE gt
es


p polarization s polarization
-
-
eIRE
em
es
Thin film on a prism
139
Konfiguracja Kretschmanna
eIRE gt
es


Polaryzacja p Polaryzacja s
-
-
eIRE
em
es
Cienki film na pryzmacie
140
Plasmon bands for different indices of refraction
141
Pasma plazmonowe dla róznych wspólczynników
zalamania
142
Interferometric Sensors
143
Sensory Interferometryczne
144
Biosensor for rapid detection of microbes
Based on interaction of light with binding of
bacteria. The interference in two beams can be
detected.
145
Biosensor do szybkiej detekcji mikrobów
Bazuje na interakcji swiatla z wiazaniembakterii.
Interferencja dwóch wiazekmoze byc wykryta.
146
Integrated optical interferometric sensor
Reference
Sample
147
Zintegrowany interferometrycznysensor optyczny
Odnosnik
Próbka
148
Integrated optical interferometric sensor
Reference
Sample
Pathogenic Bacteria
149
Zintegrowany interferometrycznysensor optyczny
Odnosnik
Próbka
Bakteria Patogeniczna
150
Integrated optical interferometric sensor
Reference
Sample
Binding to Substrate
Phase shift of light
151
Zintegrowany interferometrycznysensor optyczny
Odnosnik
Próbka
Przesunieciefazy swiatla
Zwiazaniesubstratu
152
Interferometer

Constructive addition Two light waves with the
same phase sum to give a greater amplitude
153
Interferometr

Pomocne uzupelnienie Dwie fale swiatla o tej
samej fazie sumuja sie dajac wieksza amplitude
154
Interferometer

Cancellation Two light waves that are 180o out
of phase sum to give zero amplitude
155
Interferometr

Wygaszenie Dwie fale swiatla które sa 180o poza
zgodna faza sumujasie dajac zerowa amplitude