Модуляційно-поляризаційний біосенсор

Модуляційно-поляризаційний біосенсор, що містить джерело поляризованого випромінювання, фазову пластинку, кварцовий модулятор поляризації випромінювання, призму повного внутрішньо 3 хімічну речовину, то це приводе до зміни jpr внаслідок зміни e a. Відомий пристрій аналізу біосередовища [2], який містить джерело Р-поляризованого випромінювання, призму повного внутрішнього відбивання, на робочій грані якої розташовано резонансно чутливу плівку, електронну систему для автоматичного керування механізмом повороту призми та фотодетектор інтенсивності світла, відбитого від резонансно чутливої плівки. Біосередовище, яке підлягає ідентифікації, приводять в дотик з резонансно чутливою плівкою, на яку попередньо нанесено робочий шар певної речовини, що реагує на відповідні біомолекули. Якщо в контактуючому біосередовищі присутні біомолекули, комплементарні до речовини, що нанесена на золоту плівку, то відбудеться зміна діелектричної сталої e a в (1), а значить і кута плазмонного резонансу jpr. За величиною зміни цього кута на основі калібровочної кривої можна визначити концентрацію біомолекул. Основний недолік цього пристрою полягає в його невисокій швидкодії та нездатності реєструвати кінетику процесів. Це пов'язано з тим, що на визначення мінімуму кутової функції ПІТР чи відповідної її частини витрачається певний час. Крім того, необхідність електронної системи для автоматичного слідкування за механізмом повороту призми ускладнює конструкцію приладу. Відомий аналог пристрою аналізу біосередовищ [3] є більш експресним порівняно з попереднім. До його складу також входять джерело світла Р поляризації, призма повного внутрішнього відбивання з резонансно чутливою плівкою на робочій грані, електронну систему для реєстрації інтенсивності світла, відбитого від резонансно чутливої плівки. Його принцип дії полягає в тому, що резонансно-чутлива границя з нанесеним на неї шаром відповідної робочої речовини опромінюється широким світловим пучком, що покриває певний інтервал кутів падіння і фокусується в одній точці на металевій поверхні. При цьому відбите світло у вигляді конуса з вершиною на металевій плівці спрямовується на фотодетектор у вигляді лінійки фотодіодів. В цьому випадку кожний фотодіод реєструє певний кут падіння. Процес адсорбції органічних молекул робочою речовиною на металевій плівці є аналогічним формуванню шару молекул з певними коефіцієнтом заломлення та товщиною. При цьому положення кривої ППР та мінімуму інтенсивності відбитого світла будуть змінюватися, що й буде зареєстровано відповідним фотодіодом. Таким чином, виконавши сканування лінійки фотодіодів, пристрій дозволяє з високою швидкістю одержати криву ППР та аналізувати процеси адсорбції і взаємодії молекул, що відбуваються на протилежній стороні металевої плівки. Недоліком цього пристрою є не достатня точність визначення кута плазмонного резонансу. Це пояснюється тим, що при плазмонному резонансі інтенсивність відбитого випромінювання мінімальна, тому мала амплітуда електричного сигналу, яким оперує електронна апаратура. Якщо мінімум плазмонного резонансу не дуже різкий (це зале 26551 4 жить від величин параметрів e g, e a, e(w)), то його точне визначення є проблематичним при малій інтенсивності світла. Істотним недоліком цього приладу є також його складність і висока вартість. Але головним недоліком описаного прототипу є малий кут сканування, що обумовлено конусом світлового потоку, який фокусується на металеву плівку. Кут світлового конуса самої досконалої сучасної оптичної системи, що має відношення діаметра до фокусної відстані 1:1, складає величину 26.5 кут градуса. Величина цього кута дозволяє досліджувати методом ППP шари матеріалів з показником заломлення у вузькому діапазоні: від 1.33 до 1.38. Це значно обмежує використання цього пристрою в наукових дослідженнях і практиці, бо звужує коло досліджуваних середовищ. Найбільш близьким, тобто прототипом до пристрою, що заявляється, можна вважати пристрій для вимірювання ППР, наведений в [4]. Він складається із послідовно розташованими джерела лінійно поляризованого випромінювання, фазової пластинки, модулятора поляризації випромінювання, призми повного внутрішнього відбиття з резонансно чутливою границею та фотодетектора інтенсивності випромінювання, відбитого від резонансно чутливої границі. Цей пристрій є швидкісним, йому притаманні висока чутливість і точність, він може застосовуватись для визначення біосередовищ з будь-яким показникомзаломлення. Але в нього є суттєвий недолік - це значні конструктивні габарити, які пов'язані з використанням модулятора поляризації. Для з'ясування шляхів подолання цього недоліку розглянемо детальніше роботу цього пристрою. Суть його роботи полягає в тому, що металева плівка опромінюється почергово з частотою ю світлом S і Р поляризації, а фотодетектор на цій частоті реєструє сигнал, що відповідає різниці інтенсивностей S і Р компонент. Почергове опромінення металевої плівки світлом S або Р поляризації здійснюється за допомогою кварцового модулятора. Останній являє собою пластинку кристалічного кварцу, до меншого торця якого приєднується пластинка аморфного кварцу. На пластинці кристалічного кварцу виготовляють електроди, за допомогою яких підводять змінну напругу певної частоти w для одержання п'єзоелектричного ефекту. Загальна довжина всієї пластинки, що складається з двох видів кварцу, і частота напруги живлення взаємопов'язані і обумовлюються п'єзооптичними коефіцієнтами кристалічного кварцу. Так при частоті e(w) = 50кГц загальна довжина пластинки складає 12см. Для зменшення її довжини потрібно збільшувати частоту живлення w . При відсутності напруги на пластинці кристалічного кварцу світло, що проходить крізь пластинку аморфного кварцу, не змінює свого поляризаційного стану. Коли ж до пластинки кристалічного кварцу прикладають напругу, в ній виникає п'єзоефект, який спричиняє перехід пластинки аморфного кварцу під дією механічних напружень з ізотропного стану в анізотропний. В залежності від напрямку прикладеного електричного поля ці механічні напруження або стискають, або розтягують 5 пластинку. В залежності від величини стискання (або розтягування), що обумовлюється величиною прикладеного електричного поля, пластинка аморфного кварцу може бути фазовою пластинкою в 1/4 довжини хвилі. Отже пристрій [4] працює наступним чином. Лінійно поляризоване випромінювання лазера спрямовується на чверть хвильову фазову пластинку. Обертаючи цю фазову пластинку навколо лазерного променя, її вісі анізотропії (тобто швидку і повільну вісі) орієнтують так, щоб площина поляризації лазерного випромінювання складала кут 45° з кожною віссю, тобто проходила по бісектрисі кута між вісями анізотропії. В цьому випадку світло після фазової пластинки буде циркулярно поляризованим. Коли циркулярно поляризоване випромінювання падає на модулятор, який відіграє роль чверть хвильової пластинки, то після модулятора випромінювання стає лінійно поляризованим з площиною поляризації, що проходить по бісектрисі кута між вісями анізотропії. Але в процесі роботи модулятора швидка і повільна вісі міняються місцями, бо пластинка аморфного кварцу або розтягнута, або стиснута. Отже якщо бісектриса кута між швидкою і повільною віссю скажімо при стисненні проходе через І і III квадрант, то при розтягуванні вона буде проходити через II і IV квадрант, тобто при роботі модулятор генерує почергово лінійні, але ортогонально поляризовані випромінювання. Їх взаємна поляризація жорстко пов'язана, але орієнтація цієї поляризації в площині перпендикулярній до лазерного променя може бути довільною і обумовлюється положенням модулятора, тобто положенням його вісей анізотропії. Оскільки лазерне випромінювання падає нормально на поверхню модулятора, то площина, що перпендикулярна до лазерного променя, збігається з поверхнею модулятора. Фактично модулятор є анізотропна плоско паралельна пластинка, крізь яку проходить світло. Обертаючи таку пластинку навколо нормалі, тобто навколо падаючого лазерного променя, ми будемо спостерігати після пластинки обертання поляризації обох жорстко пов'язаних ортогонально поляризованих променів. Оскільки конструктивно прилад виконано так, що діагональна площина призми повного внутрішнього відбиття з золотою плівкою розташована в горизонтальній або вертикальній площині, то один з променів, що генерує модулятор, а саме промінь S поляризації, повинен бути паралельним цій площині. А це означає, що модулятор треба орієнтувати певним чином, а саме так, щоб бісектриса прямого кута між швидкою і повільною вісями анізотропії, що утворюється при стисненні і розтягуванні, проходила в напрямку І-ІII або II-IV квадрантів. Таке розташування модулятора призведе до того, що в перерізі перпендикулярному до лазерного проміню прилад має значні габарити в горизонтальній площині. Інакше кажучи він досить «товстий». Таким чином, задачею запропонованої корисної моделі є розробка такої конструкції пристрою, щоб його розміри в горизонтальному напрямку 26551 6 перерізу, що є перпендикулярним до лазерного проміню, не залежали від довжини модулятора. Поставлена задача вирішується тим, що у модуляційно-поляризаційному біосенсорі для аналізу біомолекулярних середовищ методом поверхневого плазмонного резонансу, що включає джерело поляризованого випромінювання, фазову пластинку, кварцовий модулятор поляризації випромінювання, призму повного внутрішнього відбиття з резонансно чутливою границею, яка розділяє досліджуване середовище з меншою оптичною густиною від середовища з більшою оптичною густиною, з боку якого здійснюється опромінення, та фотодетектор інтенсивності випромінювання, відбитого від резонансно чутливої границі, між джерелом випромінювання та призмою розміщують кварцовий модулятор поляризації випромінювання таким чином, що його найбільший геометричний розмір-довжина - орієнтована в вертикальній площині пристрою, і чверть-хвильову фазову пластинку, причому кварцовий модулятор розміщують з боку джерела випромінювання, а чверть хвильову пластинку - з боку призми. Схема приладу для реалізації запропонованої корисної моделі наведено на фіг.2: 1 - лазер ЛГН-113, довжина хвилі лінійно поляризованого випромінювання l = 0.63 або 1.15мкм, виготовлення підприємства «Укрлазер», м. Львів, 2 - пластинка кристалічного п'єзокварцу власного виготовлення. Товщина пластинки 1см,, паралельність площин пластинки не гірше 0.01°; 3 - пластинка з аморфного кварцу власного виготовлення. Товщина пластинки 1см,, паралельність площин пластинки не гірше 0.01°; внутрішні напруги і неоднорідність пластинки знаходяться в межах коли на 1см товщини набігає різниця ходу між хвилями E^ і Е½ê не більше 0.01l, (l = 0.63мкм), 4 - фазова чверть хвильова пластинка (плоскопаралельна пластинка з кристалічного кварцу, вирізана паралельно оптичній вісі); 5 - рівнобедрена призма повного внутрішнього відбиття власного виготовлення із скла К-8, на робочу діагональ якої напилено шар золота товщиною біля 0.05мкм; 6 - проточна кювета з досліджуваним середовищем; 7 - фотодіод ФД-9К (кремнієвий) або ФД-7Г (германієвий), в залежності від довжини хвилі випромінювання. Е - напрямок поляризації лазерного випромінювання, no - показник заломлення для звичайного променя, або напрямок швидкої вісі анізотропного середовища, ne - показник заломлення для незвичайного променя, або напрямок повільної вісі анізотропного середовища, EL , ER - циркулярно поляризоване випромінювання вліво і вправо, відповідно. Пластинки 2 і 3 утворюють модулятор поляризації. Принцип роботи приладу полягає в наступному. Лінійно поляризований промінь лазера 1 спрямовується на пластинку аморфного кварцу 3. Під час дії напруги на електродах пластинки кристалічного п'єзокварцу 2, ця пластинка внаслідок п'єзо 7 ефекту перетворює пластинку 3 в чверть хвильову фазову пластинку. Лазер 1 орієнтують так, щоб напрямок поляризації лазерного випромінювання EL утворював кут 45° з швидкою і повільною вісями пластинки 3, які виникають при її перетворенні в анізотропну пластинку. Це приводе до перетворення лінійно поляризованого лазерного випромінювання в циркулярно поляризоване. Розташована далі чверть хвильова фазова пластинка перетворює циркулярно поляризоване випромінювання в лінійно поляризоване. Напрямок цього лінійно поляризованого випромінювання проходить по бісектрисі кута між швидкою (пe ) і повільною (nе) вісями чверть хвильової пластинки, тобто через І і III квадранти. Отже цю фазову чверть хвильову пластинку 4 обертають навколо вісі так, щоб бісектриса кута між no і nе співпала з напрямком S компоненти. Коли знак напруги, що прикладена до пластинки 2 зміниться на протилежний, вісі no і nе в анізотропній пластинці 3 поміняються місцями. Це приведе до того, що лінійно поляризоване лазерне випромінювання EL перетвориться в циркулярно поляризоване, але напрямок обертання його буде протилежний тому, що був в попередньому випадку. Тепер чверть хвильова фазова пластинка 4 перетворює циркулярно поляризоване випромінювання в лінійно поляризоване, але напрямок його поляризації буде співпадати з напрямком бісектриси кута між no і nе вісями, що проходить через II і IV квадранти, тобто перпендикулярно до S компоненти. Отже прикладаючи до модулятора (пластинка 2) зміну напругу з частотою w = 50кГц, після пластинки 4 одержують послідовно з тією ж частотою випромінювання S або Р поляризації. Після відбиття від золотої плівки, що нанесена на діагональну площину призми 5, світло спрямовуються на фотодетектор 7. Завдяки тому, що в діапазоні кута існування плазмового резонансу S та Р компоненти світла відбиваються неоднаково, модуляцією поляризації виділяється різниця їх інтенсивностей, сигнал якої з фотодетектора вимірюється селективним вольтметром. 26551 8 Отже, таке взаємне положення модулятора (пластинки 2 і 3) і фазової пластинки 4 дозволяє розташувати всі елементи схеми в одній вертикальній площині і сконструювати прилад «плоским» і компактним. Таким чином новизна запропонованої корисної моделі полягає в тому, що вона містить в собі невідомі раніше поєднання та взаємодію відомих оптичних вузлів та механізмів і яке створює нові позитивні властивості. Об'єктами для використання пристрою можуть бути кров, плазма крові, сеча, вода, різні фізіологічні та технологічні розчини, газові суміші різних складів. Тому можливі області застосування запропонованого приладу - медична клінічна діагностика, біохімічний аналіз, фармакологія, біотехнологічна та харчова промисловість, екологічний контроль, наукові дослідження, учбові лабораторії. Такий прилад є практично необхідним для навчальних курсів на фізичних кафедрах вищих учбових закладів. Література 1. Жижин Г.Н., Москалева М.А., Шонина Е.В., Яковлев В.А. Распространение поверхностных электромагнитных волн по металлическим поверхностям. В кн. В.М.Аграновича и Д.Л.Милса «Поверхностные поляритоны». М. «Наука». 1985. 2. Патент України № 46018 "Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення". Ширшов Ю.М., Венгер Є.Ф., Прохорович А.В., Ушенін Ю.В., Мацас Є.П., Чегель В.І., Самойлов А.В. 15.05.2002, бюл. № 5. 3. Chinowsky T.M., Yee S.S. Capillary surface plasmon resonance sensor and multisensors. US Patent 6.480.282. November, 12, 2002. 4. Бережинський Л.И., Полторейко СП., Прохорович А.В., Сердега Б.К. Рішення «Укрпатенту» від 5 березня 2007 р. про видачу деклараційного патенту на корисну модель по заявці № u 2006 11575 «Пристрій для аналізу біосередовищ». 9 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 26551 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601