Багатоелементний перетворювач на основі поверхневого плазмонного резонансу у дисковому форматі

Реферат: Винахід належить до області розробки оптоелектронних твердотільних сенсорних пристроїв на основі поверхневого плазменного резонансу і може бути застосований у медицині і сільському господарстві, фармацевтичній і харчовій промисловості, для контролю якості питної води та екологічного моніторингу навколишнього середовища, а також у науково-дослідній діяльності широкого спектра. Багатоелементний перетворювачі на основі поверхневого плазмонного резонансу у дисковому форматі містить змінну сенсорну частину, яка складається з масиву сенсорних одиниць, розташованих на пластиковій підкладці, що являють собою планарну структуру для відбивання світла, чутливу до поверхневих плазмонів, та оптичну частину, яка складається з однієї або більше горизонтально інтегрованих оптичних одиниць, що містять освітлювальну систему і детектор світла, відбитого від сенсорної одиниці, при цьому сенсорна та оптична частини перетворювача розміщені узгоджено, відділені зазором та сполучені оптичним зв'язком на основі колімованих променів, що падають перпендикулярно межам поділу, пластикова підкладка для сенсорної частини перетворювача виконана у вигляді обертального диска. Технічним результатом винаходу є підвищення кількості елементів сенсорного чипа у більш компактній конструкції багатоелементного ППР перетворювача, спрощення у використанні та підвищення швидкодії проведення аналізу біомолекулярних середовищ при значному здешевленні приладу. UA 103662 C2 (12) UA 103662 C2 UA 103662 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід, що заявляється, належить до області розробки оптоелектронних твердотільних сенсорних пристроїв на основі поверхневого плазмонного резонансу (ППР). ППР сенсори детектують адсорбцію або реакцію взаємодії молекул у газовому і рідкому середовищах у реальному часі без застосування будь-яких міток, що дозволяє виконувати швидкий, якісний і кількісний аналіз досліджуваних проб. Такі прилади можуть знайти застосування у медицині і сільському господарстві, фармацевтичній і харчовій промисловості, для контролю якості питної води та екологічного моніторингу навколишнього середовища, а також у науково-дослідній діяльності широкого спектра. Відомий прилад на основі явища поверхневого плазмонного резонансу для вимірювання 7 концентрації досліджуваної речовини JP2000121551(A), МПК G01N 21/27, G01N 21/25. Concentration measuring device / Kawai Kunji, Yamaguchi Shoichi, Sasaki Yutaka, Watanabe Kazuhiko, Koike Yasuo (Японія); April 28,2000. Прилад на основі явища поверхневого плазмонного резонансу містить сенсорний чип, що складається з тонкої плівки золота на скляній підкладці у контакті із корпусом, що забезпечує багатоелементну подачу проб (досліджуваних зразків), призму повного внутрішнього відбивання, оптичну систему на основі світловипромінюючого діода та телекамеру на приладах з зарядовим зв'язком (ПЗЗ). Сенсорний чип фіксують на поверхні призми за допомогою відповідної імерсійної рідини (геля). Оптична система здійснює проходження р-поляризованого монохроматичного променя світла крізь призму та його падіння на границю поділу між призмою та металевою плівкою. У винаході використовують розширення променя світла, який потім фокусують в одній точці на металевій поверхні за рахунок використання опуклих лінз, що дає різноманіття кутів падіння по відношенню до границі поділу. Таким чином у приладі досягається сканування по куту (розгортка кута падіння) без застосування обертових деталей (немеханічна розгортка кута падіння). ПЗЗ камера детектує інтенсивність світла, відбитого від границі поділу під різними кутами. Принцип роботи приладу полягає у вимірюванні інтенсивності відбитого від границі поділу скло/металева плівка монохроматичного світла при різних кутах падіння (резонансна крива ППР) і дослідженні даної залежності в умовах адсорбції чи взаємодії молекул проби, що відбуваються на протилежній стороні металевої плівки. Обробка отриманих даних за допомогою комп'ютерних частин приладу дає можливість розрахувати концентрацію досліджуваної речовини. Головним недоліком описаного приладу є використання об'ємної габаритної скляної призми та використання імерсійної рідини для розташування чипа на поверхні призми. А використання досить великої та об'ємної ПЗЗ камери дає нелінійний відгук і призводить до збільшення розміру приладу. Істотним недоліком є також складність та висока вартість приладу. Відомий сенсор поверхневого плазмонного резонансу зі знімним оптичним елементом 7 European Patent ЕР0797091 (А1), МПК G01N 21/27; G01N21/55, G01N21/25. Surface plasmon resonance sensor with interchangable optical element / Keller R.C., Carr R.A., Melendes J.L. (США); September 24, 1997. Сенсор поверхневих плазмонів складається з прозорого базового корпусу та знімного сенсорного корпусу. Базовий корпус містить джерело оптичного випромінювання, фільтр для його поляризації, а також масив фотодетекторів. Знімний сенсорний корпус зроблено із оптичного пластика і має форму призми, одна сторона якої містить планарне дзеркало, а друга ППР чутливий шар, що сформовано на зовнішній поверхні сенсорного корпусу. Чутливий шар являє собою провідну плівку (срібло, золото, мідь), товщина якої визначається частотою джерела випромінювання та властивостями провідного шару. Чутливий ППР шар знаходиться у контакті з досліджуваною речовиною. Поляризоване випромінювання проходить крізь границю поділу між базовим та сенсорним корпусом та відбивається від планарного дзеркала на ППР чутливий шар. Випромінювання, що відбивається від границі поділу пластик/метал, потрапляє крізь границю поділу між сенсорним та базовим корпусом на масив фотодетекторів. Із інтенсивності та кута випромінювання для кожного фотодетектора можна визначити показник заломлення речовини, що контактує з протилежною стороною ППР чутливого шару. Головним недоліком описаного приладу є використання об'ємної габаритної призми, хоча використання пластику здешевлює та спрощує виготовлення приладу. В роботі цього сенсору не використовують імерсійної рідини, що спрощує вимірювання. Але сенсорний корпус є одноелементним та одноразовим у застосуванні, крім того не дає можливості досліджувати динаміку процесу. Найбільш близьким до перетворювача, що заявляється, можна вважати сенсор 7 поверхневого плазмонного резонансу Патент США US6738141 (В1), МПК G01N21/55. Surface plasmon resonance sensor / Thirstrap С. (DK), May 18, 2004. 1 UA 103662 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Багатоелементний сенсор поверхневого плазмонного резонансу містить сенсорний чип, що складається з масиву планарних одиниць сенсорних чипів, розташованих на пластиковій прямокутній підкладці, та оптичний перетворювач, що складається з горизонтально інтегрованого масиву одиниць оптичних перетворювачів. Планарну одиницю сенсорного чипа сформовано на пластиковій підкладці з використанням дифракційних елементів, що виключає наявність призми. Одиниця оптичного перетворювача здійснює фокусировку розширеного рполяризованого променя світла на сенсорній поверхні у кутовому інтервалі, що включає ППР кут, а також детектування відбитого від сенсорного чипа світла за допомогою масиву фотодетекторів. Змінний сенсорний чип відділено від оптичного перетворювача зазором. Сенсорний чип та оптичний перетворювач сполучені між собою оптичним зв'язком на основі колімованих променів, що падають перпендикулярно границям поділу. Взаємне розміщення сенсорного чипа та оптичного перетворювача забезпечується. Напрямок променів світла не змінюється при проходженні крізь границі поділу між сенсорним чипом, повітряним зазором та оптичним перетворювачем, що виключає необхідність розміщення у зазорі імерсійної рідини з відповідним показником заломлення. Наведений сенсорний пристрій має багатоелементну, малогабаритну та просту у використанні конструкцію. Замість габаритної призми використовують планарну дифракційну структуру, що розташовано на пластиковій підкладці. Оптичний зв'язок сенсорного чипа та оптичного перетворювача здійснюється за рахунок використання повітряного зазору, а не імерсійної рідини, що значно спрощує вимірювання. Сенсорний чип - змінний та багатоелементний, але кількість елементів, які можуть бути розміщені на прямокутній підкладці, обмежена та недостатня для вирішення широкомасштабних задач медицини, екології, промисловості та сільського господарства. В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача підвищення кількості елементів сенсорного чипа у більш компактній конструкції багатоелементного перетворювача на основі ефекту поверхневого плазмонного резонансу, спрощення у використанні та підвищення швидкодії проведення багатоканального аналізу біомолекулярних середовищ при значному здешевленні приладу. Поставлена задача вирішується тим, що у багатоелементному перетворювачі на основі поверхневого плазмонного резонансу, що містить змінну сенсорну частину, яка складається з масиву сенсорних одиниць, розташованих на пластиковій підкладці, що являють собою планарну структуру для відбивання світла, чутливу до поверхневих плазмонів, та оптичну частину, яка складається з однієї або більше горизонтально інтегрованих оптичних одиниць, що включають освітлювальну систему і детектор світла, відбитого від сенсорної одиниці, при цьому сенсорна та оптична частини перетворювача розміщені узгоджено, відділені зазором та сполучені оптичним зв'язком на основі колімованих променів, що падають перпендикулярно межам поділу, пластикова підкладка для сенсорної частини перетворювача виконана у вигляді обертального диска. Основна відмінність пристрою, що заявляється, від прототипу полягає у формуванні сенсорної частини перетворювача на обертальному диску. Використання пластикового диска як підкладки для планарного сенсорного чипа дає можливість збільшити кількість чутливих елементів у більш компактній конструкції, тобто отримати високий ступінь інтеграції чутливих елементів сенсорної частини перетворювача. Таким чином, це призводить до більш малогабаритної конструкції приладу і потребує мінімальну необхідність у регулюванні оптики, що значно спрощує експлуатацію приладу. До значного здешевлення приладу призводить можливість серійного випуску багатоелементного сенсорного диска з використанням стандартних матеріалів та технологічного обладнання для виготовлення компакт-дисків, а також зменшення кількості оптичних одиниць (навіть використовуючи одну оптичну одиницю, можливо провести сканування всього масиву сенсорних одиниць). У пристрої, що заявляється, значно зменшується час на проведення біохімічного аналізу великої кількості проб (підвищення швидкодії) за рахунок збільшення кількості чутливих елементів на одному диску при збереженні високої чутливості оптичного методу поверхневого плазмонного резонансу. Таким чином, запропонований пристрій забезпечує значне збільшення кількості чутливих елементів у механічно жорсткій та компактній формі диска, конструкція приладу спрощується, значно знижується його вартість, спрощується експлуатація приладу та відбувається збільшення швидкодії при збереженні його високої чутливості, що відкриває можливість створення переносних експрес-лабораторій для широкомасштабного застосування. На фіг. 1 приведено схематичне зображення сенсорної одиниці та відповідної оптичної одиниці ППР перетворювача, що заявляється, де 1 - джерело монохроматичного світла, 2 система лінз (коліматор), 3 - поляризатор, 4 - пластиковий диск, 5, 8 - відбиваючі оптичні 2 UA 103662 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 дифракційні елементи, 6 - оптичне дзеркало, 7 - плівковий металевий робочий елемент, 9 масив фотодетекторів, 10 - проточна кювета для подачі досліджуваної проби. Фіг. 2 - блок-схема багатоелементного ППР перетворювача у дисковому форматі, що заявляється, де 1 - оптична частина перетворювача, 2 - освітлювальна система, 3 - детектор світла, відбитого від сенсорної одиниці, 4 - сенсорна частина перетворювача, 5 - обертовий диск, 6 - вісь обертання. Представлений винахід зв'язаний з розробкою сенсорного приладу на основі ефекту оптичного збудження поверхневої електромагнітної хвилі (інакше поверхневих плазмонів - ПП) у тонкій металевій плівці (Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под редакцией: В.М. Аграновича, Д.Л. Миллса, Москва: Наука, 1985. 525 с.; Дмитрук Н.Л., Литовченко В.Г., Стрижевский В.Л. Поверхностные поляритоны в полупроводниках и диэлектриках. - К.: Наукова думка, 1989. - 375 с.) для швидкої ідентифікації молекулярних взаємодій, які відбуваються на металевій поверхні сенсору. Ефект виникає при взаємодії електромагнітного випромінювання видимого діапазону з межею поділу двох середовищ. При цьому, умовою існування ПП є наявність у робочому діапазоні негативної діелектричної проникності в одного з середовищ, що граничать. Оскільки для металів діелектрична проникність, обумовлена плазмою вільних електронів, негативна в широкому спектральному діапазоні, металева плівка (переважно Аu чи Ag) на діелектричній підкладці є чутливим елементом сенсору поверхневого плазмонного резонансу (ППР). Явище ППР полягає в різкому зменшенні інтенсивності світла, відбитого від вищевказаної границі поділу, що спостерігається при специфічній довжині хвилі і специфічному куті падіння. Для того, щоб одержати резонансну ППР криву можна або змінювати довжину хвилі падаючого світла при фіксованому куті падіння, або використовуючи монохроматичне випромінювання змінювати кут падіння. При цьому відомі три принципи збудження ПП з використанням: металізованої скляної призми з високим показником заломлення (Кречман конфігурація) чи призми в близькому контакті з металізованою скляною підкладкою (Отто конфігурація), а також металізованих дифракційних ґраток (цей метод має меншу чутливість та ряд обмежень). Крім того, існує два вимірювальних підходи для визначення ППР: опитування довжини хвилі при фіксованому куті падіння та опитування кута при фіксованій довжині хвилі. Форма резонансної кривої і положення мінімуму будуть визначатися оптичними характеристиками всієї структури в цілому, включаючи середовище, що контактує з металевою плівкою з протилежної сторони. Таким чином, ППР сенсор - це високочутливий тонкоплівковий рефрактометр, який легко можна використати для аналізу біомолекулярних середовищ у реальному часі без застосування будь-яких міток (Liedberg В., Nylander C., Lundstrom I. Biosensing with surface plasmon resonancehow it all started // Biosensors and Bioelectronics. - 1995. - 10. - P. i-ix; Sambles, J.R. et al. Optical excitation of surface plasmons: an introduction // Contemp. Phys. - 1991. - 32. - P. 173-183; Gomes P., Andreu D. Direct kinetic assay of interactions between small peptides and immobilized antibodies using a surface plasmon resonance biosensor // Journal of immunological methods. - 2002. - 259. - P. 217-230; Tombelli S., Minunni M., Mascini M. A surface plasmon resonance biosensor for the determination of the affinity of drugs for nucleic acids // Anal. Lett. - 2002. - 35(4). - P. 599-613.; Hoa X.D., Kirk A.G., Tabrizian M. Towards integrated and sensitive surface plasmon resonance biosensors: A review of recent progress // Biosensors and Bioelectronics. - 2007. - 23. - P. 151-160.; Piliarik M., Homola J. Surface plasmon resonance (SPR) sensors: approaching their limits? // Optics Express. - 2009. - 17 (19). - P. 16505-16517.). У цьому випадку, на металеву поверхню ППР сенсору треба нанести чутливий шар молекулярно-розпізнавальних елементів (МРЕ), тобто систему біомолекул-рецепторів або їх синтетичних аналогів. Акт взаємодії МРЕ з молекуламианалітами у досліджуваній пробі можна зафіксувати по зсуву резонансу як вихідного сигнала ППР сенсора. Найбільш поширена схема ППР сенсора заснована на використанні габаритної призми та дослідженні кутової залежності інтенсивності відбивання при фіксованій довжині хвилі падаючого випромінювання. Поверхневі плазмони збуджуються у металевій плівці, що нанесена на змінну скляну пластину і контактує через імерсійну рідину з стороною скляної призми в умовах повного внутрішнього відбивання від межі поділу призма-метал, при цьому зовнішня сторона плівки металу контактує з досліджуваною пробою через кювету. Резонансне зв'язування між фотонами джерела р-поляризованого монохроматичного світла і електронною плазмою на зовнішній поверхні металу відбувається в результаті падіння світла з боку призми і сканування внутрішньої сторони металевої плівки в діапазоні кутів більше критичного, застосовуючи механічний поворот призми. Проявом такого зв'язування є зменшення інтенсивності відбитого світла при специфічному куті падіння, яке фіксується фотодіодом. Таким чином, формується основна характеристика приладу - резонансна крива відбивання, параметри 3 UA 103662 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 якої визначаються діелектричними властивостями контактуючих середовищ. Форма кривої плазмонного резонансу і, зокрема, положення мінімуму залежать: від показника заломлення призми, оптичних констант і товщини металевої плівки, у якій збуджується поверхневий плазмонний резонанс, та від оптичних параметрів і товщини шару, що контактує з металевим робочим елементом. Фіксуючи зміну резонансних умов виникнення плазмонного ефекту, тобто досліджуючи зміну положення мінімуму плазмонного резонансу у часі, можна зробити висновки про процеси адсорбції та взаємодії молекул, що відбуваються на розглянутій межі поділу та охарактеризувати їх кількісно. Аналіз кутового положення і форми резонансної кривої реєструється керуючою програмою, що дозволяє одержувати в реальному масштабі часу кінетичну криву (сенсограму), яка свідчить про процеси адсорбції та взаємодії біологічних молекул, присутніх у досліджуваній рідкій пробі. У приладах такого типу відбувається механічна розгортка (сканування) кута та використовується масло/гель з відповідним показником заломлення між змінною чутливою скляною пластиною та скляною призмою. Ці прилади є дорогими і громіздкими, вимагають точного регулювання та широкого обслуговування оптики, технічного сервісу, а також схильні до механічного зношування, що значно обмежує їх застосування. Робота ППР перетворювача, що заявляється, основана на опитуванні кута з використанням фокусуючих/дефокусуючих лінз при фіксованій довжині хвилі у призмовій конфігурації, що не потребує механічних деталей. Традиційна призма і фокусуюча оптика інтегруються у планарній ППР сенсорній одиниці на полімерній основі за рахунок використання дифракційних зв'язуючих елементів для вводу та виводу світла, що виготовляють методом інжекційного лиття. Головна перевага приладу, що заявляється, полягає у розміщенні сенсорної частини ППР перетворювача на обертальному диску. Це дає можливість значно збільшити кількість чутливих елементів при зменшенні розміру підкладки, спрощує конструкцію та експлуатацію приладу, значно зменшується час на проведення біохімічного аналізу великої кількості проб, сканування всього масиву сенсорних одиниць можливо провести навіть використовуючи одну оптичну одиницю. До значного здешевлення приладу приводить можливість серійного випуску багатоелементного сенсорного диска з використанням стандартних матеріалів та технологічного обладнання для виготовлення компакт-дисків. На фіг. 1 приведено схематичне зображення сенсорної одиниці та відповідної оптичної одиниці ППР перетворювача, що заявляється. Полімерна інтегрована сенсорна одиниця включає дві металізовані ґратки поверхневого рельєфу та сенсорний простір між ними, вкритий шаром золота, і розташована (розміщена) на пластиковому диску (4). Оптична одиниця включає освітлювальну систему (1-3) і детектор світла, відбитого від сенсорної одиниці (9). Сенсорна та оптична одиниці перетворювача розміщені узгоджено, відділені зазором та сполучені оптичним зв'язком на основі колімованих променів, що падають перпендикулярно межам поділу. Освітлювальна система складається з джерела монохроматичного світла (1), системи лінз (коліматора - 2) та поляризатора (3). Дифракційні ґратки (5, 8) фокусують вхідне світло від джерела (1) на сенсорному просторі з плівкою золота (7), а відбите світло - передають на лінійку фотодетекторів (9), використовуючи оптичне дзеркало (6). Кювета для постачання аналітичної проби (10) контактує з плівкою золота, у якій відбувається збудження поверхневих плазмонів. Багатоелементний ППР перетворювач, що заявляється, (фіг. 2) містить оптичну частину (1), яка складається з однієї або більше горизонтально інтегрованих оптичних одиниць, та сенсорну частину (4), яка складається з масиву планарних ППР сенсорних одиниць, розташованих на пластиковій підкладці. Оптична одиниця включає освітлювальну систему (2) і детектор світла, відбитого від сенсорної одиниці (3). Таким чином, запропонований багатоелементний перетворювач на основі ППР забезпечує значне збільшення кількості чутливих елементів у механічно жорсткій та компактній формі обертального диска, конструкція та експлуатація перетворювача спрощуються, значно знижується його вартість, відбувається збільшення швидкодії при збереженні його високої чутливості, що відкриває можливість створення переносних експрес-лабораторій для широкомасштабного застосування. 55 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 Багатоелементний перетворювач на основі поверхневого плазмонного резонансу містить змінну сенсорну частину, яка складається з масиву сенсорних одиниць, розташованих на пластиковій підкладці, що являють собою планарну структуру для відбивання світла, чутливу до поверхневих плазмонів, та оптичну частину, яка складається з однієї або більше горизонтально 4 UA 103662 C2 5 інтегрованих оптичних одиниць, що включають освітлювальну систему і детектор світла, відбитого від сенсорної одиниці, при цьому сенсорна та оптична частини перетворювача розміщені узгоджено, відділені зазором та сполучені оптичним зв'язком на основі колімованих променів, що падають перпендикулярно межам поділу, який відрізняється тим, що пластикова підкладка для сенсорної частини перетворювача виконана у вигляді обертального диска. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5