Детектор на основі поверхневого плазмонного резонансу

Реферат: Винахід належить до приладобудування, а також до дослідження біологічних речовин та об'єктів, і може бути застосований для якісного та кількісного аналізу в біохімії, імунології та біотехнології. Детектор складається зі скляної призми, на якій створено тонкоплівкову структуру з плівки золота та оксиду ніобію. В такому детекторі в систему скло-плівка золота додатково введено покривний шар з оксиду ніобію. Технічним результатом винаходу є збільшення чутливості пристрою до товщини шару молекул, що висідають в процесі аналізу на поверхні сенсора, а також можливість захисту поверхні призми плівкою оксиду ніобію. UA 113002 C2 (12) UA 113002 C2 UA 113002 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до оптоелектронної техніки і може бути використаний при створенні приладів для вимірювань показника заломлення рідин та при біохімічних дослідженнях на основі методу поверхневого плазмонного резонансу. Для забезпечення аналітичних досліджень в рефрактометрії, біохімії, вірусології, фармакології та при вирішенні практичних задач в області біотехнологій, використовуються прилади на основі поверхневого плазмонного резонансу, які при проведенні специфічних реакцій здатні швидко і надійно визначати наявність молекул досліджуваної речовини у складі аналіту та реєструвати проходження біохімічних реакцій. Принцип роботи приладу полягає у вимірюванні інтенсивності відбитого від металевої плівки монохроматичного світла при зміні кута падіння. При певному куті падіння за рахунок поглинання плазмоном металевої плівки енергії падаючої хвилі інтенсивність відбитого світла суттєво зменшується, що безпосередньо можна спостерігати як резонансний мінімум на кривій відбиття в діапазоні кутів, більших критичного (кута повного внутрішнього відбиття матеріалу призми). Аналіз змін характеристик ППР в умовах адсорбції молекул чи зміни показника заломлення середовища на протилежній стороні металевої плівки дозволяє вивчати зміну показника заломлення чи взаємодію між хімічними або біохімічними об'єктами, що досліджуються. Як плазмонопідтримуюча плівка зазвичай використовується плівка золота, збудження поверхневих плазмонів у якій дозволяє спостерігати вузький резонансний пік, що є зручним для подальшої обробки сигналу. Одночасно плівка золота має високу хімічну стійкість. Найбільш широко в комерційних приладах використовується оптична схема Кречмана. Для того, щоб подовжити строк експлуатації призми ППР сенсора, створюється змінний сенсорний елемент, який при роботі з ППР замінюється при кожному новому циклі вимірювань. Сенсорний елемент зазвичай являє собою скляну пластину товщиною близько 1 мм яка має такий самий показник заломлення, що і призма, з напиленою на неї плівкою золота товщиною близько 50 нм. Сенсорний елемент встановлюється на призму через імерсійну рідину. Широке розповсюдження приладів на основі ППР для біохімічного аналізу зумовлене високою чутливістю умов збудження резонансу до змін показника заломлення середовища, прилеглого поверхні металевої полівки, в якій розповсюджується хвиля поверхневих плазмонів. При відслідковуванні зміни кута виникнення ППР цій зміні можна співставити або зміну показника заломлення оточуючого середовища, або адсорбцію на поверхні плазмонопідтримуючої плівки тонкого шару молекул з оптичними властивостями, відмінними від оточуючого середовища, або комбінацію цих явищ. За умови, коли процес осадження молекул відсутній, зміна резонансного кута залежить тільки від зміни показника заломлення оточуючого середовища. Таким чином можлива побудова високоточного ППР-рефрактометра. Теоретично обрахованим обмеженням по кутовій чутливості (зміна кута ППР на одиницю зміни показника заломлення оточуючого середовища - dφ/dn) такого рефрактометра є величина у 120 град./од. пок. зал. Реально отримувана чутливість є меншою. Огляд основних ППР приладів, що серійно випускаються в Україні та за кордоном показує їх тотожність щодо використовуваних сенсорних елементів. Це завжди скляна пластина з напиленою плівкою золота. Відмінність полягає лише в тому, що деякі фірми-виробники поставляють змінні чипи з нанесеним на плівку золота шаром органічної сполуки, що забезпечує адгезію наступного біошару до поверхні сенсорного чипа. Відомий біосенсор PCT(WO) 92/05426, Biological sensors, April 2, 1992, G01 N21/55, що прийнято за аналог, працює на основі поверхневого плазмонного резонансу. На поверхню оптичного блока, який відбиває промінь світла, нанесений шар срібла товщиною 45-60 нм, щоє робочим елементом біосенсора. Спільними ознаками аналога та пропонованого пристрою є скляна призма, яка виконує функції оптичного блока. Недоліками використання срібла для робочого елемента біосенсора є те, що на нього істотно впливає зовнішнє середовище і він зберігає свої властивості нетривалий час. Крива поверхневого плазмонного резонансу для срібла як робочого елемента характеризується малою напівшириною, що дозволяє з високою точністю визначати положення мінімуму резонансної кривої математичними методами. Інший аналогом прийнято оптичний сенсор детектор на основі поверхневого плазмонного резонансу - Великобританія (GB) 2197068 (8725502), Optical sensor device, October 30, 1987, G01 N33/543. Робочий елемент якого виконаний у вигляді призми повного внутрішнього відбиття з нанесеною на неї плівкою золота товщиною 45-60 нм. Спільними ознаками аналога та пропонованого пристрою є скляна призма та чип з нанесеним шаром золота. 1 UA 113002 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Недоліком цього детектора є відносно велика напівширина резонансної кривої, що зменшує точність визначення мінімуму шляхом математичної обробки а також недостатньо висока механічна стійкість золота (легко утворюються подряпини, що заважає багаторазовому використанню сенсорного елемента з його відмиванням після чергового дослідження). Одним із способів вирішення даної задачі підвищення чутливості і надійності сенсора є запропонований двошаровий сенсор (Патент України UA 46512 А, Детектор поверхневого плазмонного резонансу, бюл. № 5, 2002 p.), який вибрано як прототип. Спільними ознаками прототипу та пропонованого пристрою є скляна призма (чип) з нанесеним шаром золота. Робочий елемент біосенсора товщиною 45-60 нм містить у собі двошарову структуру спочатку плівки срібла з напиленою зверху плівкою золота. Відношення товщин плівки срібла до товщини плівки золота при цьому складає 1/3. Недоліком цього детектора є те, що робочі елементи оптичних пристроїв не забезпечують одночасно достатньої чутливості, точності і стабільності необхідних аналітичній техніці для фізичних досліджень та біохімічного аналізу. Чутливість до зміни показника заломлення досліджуваної проби - dφ/dn=140; до зміни показника заломлення біошару - 10 град./од. показн. заломл. (зміні показника заломлення біошару відповідає процес заповнення поверхні металевої сенсорної плівки біологічними молекулами за ступенем заповнення від 0 до 100 %) при рефрактометричних і біохімічних дослідженнях обидві величини потребують підвищення. В основу винаходу поставлена задача підвищення чутливості пристрою. Вирішення поставленої задачі досягається тим, що покривний шар оксиду ніобію має підвищену механічну та хімічну стійкість, а також завдяки високому показнику заломлення оксиду ніобію, що підвищує чутливість пристрою до товщини шару молекул, що висідають на поверхні при біосенсорному аналізі та при рефрактометричних дослідженнях. Схема пристрою наведена на фіг. 1. Пристрій складається з скляної призми (чипа) 1 з нанесеним шаром золота 2. На шар 2 наноситься покривний шар оксиду ніобію 3. Робота пристрою основана на ефекті підсиленням електромагнітного поля поверхневого плазмонного резонансу в плівці покривного шару оксиду ніобію, за рахунок її високого показника заломлення. Двошарова структура на поверхні скляної призми чи пластини формується наступним чином. Спочатку проводиться напилення плівки золота товщиною 50 нм. Потім методом магнетронного розпилення проводиться напилення плівки ніобію товщиною 4 нм. Потім термічним відпалом при температурі 450 °C проводиться перетворення плівки ніобію в плівку оксиду ніобію, товщина якої за рахунок коефіцієнта лінійного розширення збільшиться в 1,6 разу. Згідно з запропонованим винаходом кутова чутливість до показника заломлення середовища складає до 190 градусів на одиницю показника заломлення (замість 120 для плівки золота). На фіг. 2 показана залежність чутливості сенсора при рефрактометричних вимірюваннях від товщини покривного шару оксиду. Чутливість такого сенсора при біосенсорному аналізі збільшується до 27 град./од. показн. заломл. (замість 14,4 для плівки золота) при повному заповненні шару товщиною 10 нм білковими молекулами при умові, що для суцільного шару показник заломлення складає 1,5. На фіг. 3 приведена залежність чутливості сенсора при нанесенні біошару (10 нм зі зміною показника заломлення біошару від 1,33 до 1,45) від товщини покривного шару оксиду. Сучасний рівень тонкоплівкової технології дозволяє розробити та побудувати детектор на основі поверхневого плазмонного резонансу з покривним шаром оксиду ніобію, для потреб аналітичних досліджень нанобіотехнології. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Детектор на основі поверхневого плазмонного резонансу, який містить скляну призму з нанесеним шаром золота, який відрізняється тим, що в нього додатково введено покривний шар оксиду ніобію, розташований на плівці золота. 2 UA 113002 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3