Вплив діелектричних характеристик середовища та зовнішніх факторів на параметри фізичних та біологічних сенсорів на основі поверхневого плазмонного резонансу

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

ЧЕГЕЛЬ ВОЛОДИМИР ІВАНОВИЧ

УДК 535.394

539.233

ВПЛИВ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕРЕДОВИЩА ТА ЗОВНІШНІХ ФАКТОРІВ НА ПАРАМЕТРИ ФІЗИЧНИХ ТА БІОЛОГІЧНИХ СЕНСОРІВ НА ОСНОВІ ПОВЕРХНЕВОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСУ

01.04.01 - Фізика приладів, елементів і систем

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України, м. Київ

Науковий керівник

доктор фізико-математичних наук, професор

Ширшов Юрій Михайлович,

Інститут фізики напівпровідників НАН

України, завідувач відділом функціональної оптоелектроніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор

Лозовський Валерій Зиновйович,

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

радіофізичний факультет, кафедра напіпровідникової електроніки

кандидат фізико-математичних наук Верцімаха Ярослав Іванович,

Інститут фізики НАН України,

старший науковий співробітник

Провідна установа - Національний технічний університет “Київський політехнічний інститут”, факультет електронної техніки, кафедра біомедицинської електроніки, м. Київ

Захист відбудеться “ 15 ” листопада 2002 р. о 14¹⁵ год. на засіданні

спеціалізованої вченої ради К26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників НАН

України за адресою 03028, Київ-28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України за адресою 03028, Київ-28, просп. Науки, 45

Автореферат розісланий “ 14 ” жовтня 2002 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

Кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Необхідність в новітніх “високих технологіях” набуває сьогодні першорядного значення у зв'язку з подальшим загостренням суперечностей між людиною та природою, вичерпанням природних ресурсів, появою нових, невідомих науці захворювань, в зв'язку з подальшим необхідним прогресом людства в цілому. Земна цивілізація опинилася зараз на такому етапі, коли її долю вирішує наявність новітніх технологій, здатних дати відповіді на ці питання в максимально стислі строки. В зв'язку з цим перед наукою постає актуальне завдання створення нових поколінь сенсорів, спроможних швидко і з достатньою точністю відслідковувати і оцінювати різновиди біомолекулярних взаємодій та фізико-хімічну взаємодію молекул в цілому.

Дати швидку кількісну оцінку взаємодії між біологічними молекулами означає отримати додаткову можливість в боротьбі з хворобами, яких людство ще не подолало. Зареєструвати мінімально можливі концентрації токсичних речовин в повітрі та в воді означає дати людству шанс для збереження навколишнього світу від поступового вимирання. Та наразі наукові здобутки на одному окремо взятому напрямку не в змозі вирішити поставлені проблеми. Фізика твердого тіла і оптоелектроніка дають достатній базис для створення високочутливих сенсорних систем, але тільки в поєднанні з досягненнями в галузях інших наук, таких як фізична хімія, біохімія та біофізика, які забезпечують молекулярне розпізнавання, задачі подібного роду можуть бути вирішені.

Реальним втіленням синтезу сучасних технологій стали оптоелектронні хімічні та біосенсори. При цьому поверхневий плазмон-поляритонний резонанс (ППР) в тонких плівках металів все ширше використовується при створенні приладів як основний неруйнівний інструмент для вивчення кінетики міжмолекулярних взаємодій. Декілька наукових центрів та університетів займаються розробкою хімічних та біологічних сенсорів з використанням явища ППР. Це фірми “BIACORE AB” з Швеції та “Texas Instruments” з США, “IASYS” з Великобританії, “DKK Company“ з Японії, університети Мюнхена та Регенсбурга (Німеччина), Сіетлу (США). На Україні подібних розробок поки не було, дослідницькі роботи проводились тільки в Інституті Фізики Напівпровідників Національної Академії Наук.

Представлена робота присвячена дослідженню фізичних процесів взаємодії світла з багатошаровою плівковою структурою, сформованою на межі поділу поверхня призми повного внутрішнього відбивання - досліджуване середовище та розробці нового високочутливого оптоелектронного приладу для реєстрації біологічних реакцій та кількісного визначення діелектричних характеристик та геометрії середовища в реальному режимі часу.

В основу розробки було покладене явище поверхневого плазмон-поляритонного резонансу в тонких плівках золота та срібла.

Зв'язок з науковими програмами. Подана в дисертації робота виконувалася в Інституті фізики напівпровідників НАН України в період 1995-2001 років у рамках державної комплексної науково-технічної програми “Розробка технологій та організація виробництва напівпровідникових мікросенсорів, електронних приладів та систем на їх основі для екологічного моніторингу та енергозбереження” № 0197U008668 та в рамках державної бюджетної теми ”Дослідження механізмів структурної і компонентної модифікації матеріалів під дією зовнішніх чинників і створенні низькотемпературних технологій приладів і пристроїв оптоелектроніки”.

Мета і задачі дослідження. Метою даної дисертаційної роботи було розробка фізичних критеріїв функціонування та створення нового оптоелектронного приладу на основі явища поверхневого плазмон-поляритонного резонансу для визначення комплексного коефіцієнту рефракції і геометричних параметрів шаруватих структур та реєстрації змін вказаних параметрів.

Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити наступні задачі:

1. Вивчити можливість застосування явища поверхневого плазмон-поляритонного резонансу в тонких шарах золота та срібла для створення фізичних та біологічних сенсорів. Визначити оптимальну оптичну схему лазерного збудження та послідуючої реєстрації резонансних плазмонних коливань. Створити комп'ютерну модель залежності інтенсивності відбитого потоку лазерного випромінювання від кута падіння в умовах ППР.

2. Дослідити зв'язок між параметрами та встановити оптимальні фізичні умови використання.

3. Дослідити можливість визначення комплексного коефіцієнту рефракції та геометричних параметрів досліджуваної структури. Визначитися з можливістю отримання кількісних параметрів поляризації та поверхневої концентрації біомолекул.

4. Промоделювати вплив оптичних параметрів шаруватої структури на чутливість сенсору. Визначитися з можливістю отримання шляхом моделювання кривої ППР максимально можливої кількості параметрів досліджуваної структури.

5. Визначитися з можливістю розробки матричної структури з використанням гнучких полімерних ланцюгів олігосахаридів в якості середовища, близького до природного при біомолекулярній взаємодії. Дослідити вплив структурних перетворень в молекулярних комплексах на параметри ППР на прикладі біологічної реакції в природній матричній структурі на основі рослинного білку D1.

6. Дослідити вплив зовнішнього електричного потенціалу на параметри сенсору при дослідженні “редокс” матеріалів.

Об'єктом дослідження є фізико-хімічні процеси на межі розподілу метал - оточуюче середовище в режимі лазерного збудження поверхневих поляритонів.

Предметом дослідження обрані структури типу: метал - шар досліджуваної речовини. В якості базових досліджувались структури: скляна підкладка - адгезійний підшар хрому товщиною до 5 нм - шар золота товщиною 45-50 нм - органічні (включаючи біологічні) та неорганічні шари товщиною до 200 нм.

Застосовано такі методи дослідження, як поверхневий плазмон - поляритонний резонанс в режимі кутового сканування при фіксованій довжині хвилі, атомно силова мікроскопія (АСМ), багатокутова еліпсометрія, хроноамперометрія, циклічна вольтамметрія, рефрактометрія та аналіз з використанням кварцових мікроваг.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

1. Показано, що процеси збудження поверхневого поляритон-плазмонного резонансу в сенсорах ППР за схемою Кречмана добре описуються запропонованою одновимірною моделлю багатошарової системи на основі матриці ефективних оптичних констант та товщини шарів, в якій враховано наявність перехідних шарів та геометричної неідеальністі поверхні.

2. Доведено, що поляризуємість та концентрація біологічних молекул в зоні затухаючої хвилі поверхневого плазмону можуть бути визначені з результатів вимірювання параметрів ППР.

3. Встановлено, що кутове положення мінімуму і форма кривої ППР сенсорів залежать від зовнішнього електричного потенціалу. Запропоновано механізм впливу, що базується на зміні комплексних діелектричних сталих як металу, так і досліджуваного молекулярного шару під дією електричного поля.

4. Розвинуто підхід, який дозволяє з форми кривої ППР визначити шляхом математичного аналізу не менше як три параметри (ефективні коефіцієнти заломлення та поглинання, товщина) досліджуваної структури.

5. Встановлено, що величина відгуку ППР зростає при вихідній кутовій позиції резонансу в діапазоні 75-800 в результаті зменшення тангенціальної складової хвильового вектору фотону в області кутів падіння лазерного променя, близьких до р/2.

6. Показано, що модифікація поверхні сенсору нанесенням полімерного шару декстрансульфату, модифікованого альдегідними і сульфатними хімічними групами, як сорбенту біомолекул, дозволяє збільшити адсорбційну ємність сенсорної структури і суттєво (до рН=4.1) розширити діапазон кислотності досліджуваних середовищ, для яких можна використовувати метод ППР (порівняно з існуючими, рН=6).

7. Встановлено, що форма кривої та кутове положення мінімуму сенсору ППР з шаром срібла залежать від протікаючої на межі поділу Ag-As2S3 фотохімічної реакції. Доведено, що при формуванні структури Ag- As2S3 утворюється тонкий (близько 0,7-1 нм) проміжний шар Ag2S.

Практичне значення одержаних результатів :

1. Розроблено і виготовлено ППР-прилад “Плазмон-4м” з автоматизованою системою калібрування в розширеному діапазоні кутів падіння лазерного променя, що дозволяє отримувати кількісні характеристики діелектричних констант та товщини середовища для широкого спектру досліджуваних матеріалів.

2. Розроблено пакет програмного забезпечення, який дозволяє проводити розрахунки основних показників сенсорів на основі ППР та оптимізувати їх конструкцію.

3. Розраховано номограми, що дозволяють швидке визначення концентрації адсорбованих біомолекул на поверхні сенсору.

4. Запропоновано методику швидкої реєстрації малих концентрацій пестицидів в водних розчинах з використанням рослинного білку D1 та ППР-спектроскопії.

5. Створено модифікацію приладу “Плазмон-4м” для одночасних ППР та електрохімічних досліджень, яка дозволяє проводити електрополімеризацію мономерів безпосередньо на поверхні сенсору, що дозволяє в реальному режимі часу дослідити кінетику процесу полімеризації та електрохімічних процесів в полімерному шарі і визначати їх параметри.

6. Показано можливість та розроблено методику використання методу ППР для дослідження полімерних матеріалів з окислювально-відновлювальними (редокс) -властивостями, які зворотно змінюють свій заряд під впливом електрохімічних процесів, та виділення складових, що характеризують швидкі електрохімічні та сповільнені конформаційні процеси з кінетичних характеристик ППР.

Особистий внесок здобувача. Головна ідея та напрямок досліджень були запропоновані науковим керівником. Особистий внесок здобувача в отриманні представлених в науковій роботі результатів полягав в обговоренні концепції приладу, безпосередньої участі в створенні декількох пристроїв-прототипів та тестуванні приладу “Плазмон-4м” на всіх етапах його створення. Вагомий внесок було зроблено здобувачем в розробку програмного забезпечення приладу. Автором створено новий альдегід-декстран-сульфатний матрикс з використанням полісахаридів, який дозволяє спостерігати взаємодію біомолекул з низькою ізоелектричною точкою а також розроблено ряд конструкцій рідинних мікрокомірок для розміщення біологічних проб. Безпосередньо здобувачем розроблено програмне забезпечення та створено електрохімічну модифікацію приладу. Автором виконано експериментальну роботу, запропоновано фізичне пояснення отриманих результатів, написано та оформлено більшість наукових статей, доповідей та тез. Постановка завдання, проведення експериментів та інтерпретація результатів проведено в творчій співдружності із співавторами відповідних наукових робіт. Необхідно відзначити допомогу аспіранта Інституту біохімії ім. Палладіна О.В. НАН України С.О. Авілова при розробці матриксу та при тестуванні полісахаридів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що викладено в дисертації, були представлені та обговорені на міжнародних наукових школах-конференціях: “Электронные процессы в органических материалах” (Пуща-Водиця, Україна, -1995 та 1998); “Спектроскопія молекул та кристалів”, - Суми, - 1997, “Спектроскопія молекул та кристалів”, Одеса, -1999, 6 Міжнародному симпозіумі “Тонкие пленки в электронике” (Лазурне, Україна, -1995); на Міжнародних конференціях: Otical diagnostics of materials and devices for opto-, micro-, and quantum electronics (Київ, 1995), “Optical Storage and Transmission of Information”. - Kиїв. - 1996. European Conference on Organized Films. -Sheffield (UK). -1996. European Conference on Solid-State Transducers “EUROSENSOR-XI”, - Warsaw (Poland),- 1997, 12 International Symposium on Affinity Interactions: Fundamentals and Applications of Bioomolecular Recognition, - Kalmar (Sweden). - 1997, The European Biomedical Optics Week BiOS Europe '97, - San-Remo (Italy),-1997, 5th NEXUSPAN Workshop on Thermal Aspects in Microsystem Technology.- Budapest (Hungaary), -1998, Europhysics Conference on electronic processes in organic materials.- Kyiv,-1998, Conference on physics of biological systems.- Kyiv, - 1998, European Conference on thin organized films ECOF 7.- Potsdam. (Germany). - 1998, Conference on Unconventional Photoactive Systems UPS'99, - Wurzburg (Germany),- 1999, 13th International Symposium on Microscale Separations and Analysis HPCE 2000 - Saarbrucken (Germany), -2000, ANALYTYCA 2000, Munich (Germany), -2000, 11th International Symposium on Pharmaceutical and Biomedical Analysis PBA 2000, -Basel (Switzerland),- 2000, 3-rd Conference on electronic processes in organic materials ISEPOM-3, -Kharkiv (Ukraine), 2000, The 8th International Meeting of Chemical Sensors IMCS 2000, Basel (Switzerland), -2000, 2000 - The Era of Biotechnology, Beer-Sheba (Israel)-2000, 15th International Conference on Chemistry of the Organic Solid State ICCOSS XV, Mainz (Germany), -2001, International Conference on Optoelectronics, Optical Sensors & Measuring Techniques OPTO 2002, Еrfurt, Germany, 2002.

Публікації. За результатами дисертації опубліковано 19 робіт, в тому числі 11 статей в фахових реферованих журналах та 1 патент на винахід (Україна).

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 152 сторінках машинописного тексту і складається із вступу, шести розділів, висновків та списку використаних джерел, який містить 140 посилань і розміщений на 12 сторінках. Робота ілюстрована 78 рисунками та 5 таблицями.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

резонанс сенсор потенціал

У першому розділі приведений огляд сучасного стану використання методу поверхневого плазмонного резонансу в тонких плівках золота та срібла та розробки ППР-сенсорів на його основі. Метод ППР відноситься до неруйнівних методів дослідження діелектричних характеристик речовини, характеризується достатньою простотою та універсальністю і широко застосовується останнє десятиліття в дослідницьких роботах, а також для створення приладів. До недоліків методу необхідно віднести відносну складність в інтерпретації результатів експериментів. Проте ведучі світові дослідницькі лабораторії працюють з методом ППР, а кількість наукових статей по даній тематиці неухильно зростає. В розділі приведений огляд літературних джерел по тематиці ППР, вказані основні напрямки досліджень - біохімія, фізична хімія, медицина. Останнім часом з використанням методу ППР активно досліджуються різні полімери і тонкі плівки, включаючи моношари. Приведений аналіз результатів патентного пошуку. У світі запатентовано більше десяти конструкцій приладів на явищі ППР. Необхідно відзначити, що існуючі прилади відрізняються дорожнечею та вузькою спеціалізацею, що є стримуючим фактором для дослідницьких лабораторій. Недостатньо висвітлені на даний час в наукових виданнях питання, пов'язані з впливом зовнішніх факторів та чутливістю приладів на ППР.

Розділ 2 присвячений теоретичним основам плазмонного резонансу, а також методиці ППР-спектроскопії. Наведена схема розробленого приладу (Рис.1). Приведені два існуючих теоретичних підходи до розрахунку інтегрального коефіцієнта відбиття багатошарових структур. В подальшому у роботі використовується підхід із застосуванням матриці ефективних оптичних констант та запропонований метод розрахунку кривих ППР, який дозволяє в доповнення до загальноприйнятої оцінки ефективних значень товщини та коефіцієнта заломлення молекулярного шару визначати поляризуємість та концентрацію молекул на чутливій поверхні сенсору. Необхідно відмітити, що звичайно застосовуваний підхід з розрахунком ефективного коефіцієнта заломлення біомолекулярного шару нівелює цінну інформацію, яку можна отримати з результатів ППР-експерименту. В цьому випадку кожна глобулярна біомолекула розглядається, як окремий осцилятор, а рівняння (1) для інтегрального коефіцієнта відбиття включає в себе складову з параметрами молекулярної поляризуємості Аm та поверхневої концентрації біомолекул Ns. У цьому випадку вираз для коефіцієнта відбиття р-поляризованої хвилі має вигляд:

(1),

де Rp - інтегральний коефіцієнт відбиття Френеля для р- поляризації,

a = 2 Ns, - компонента тензора поляризації паралельно поверхні, - компонента тензора поляризації перпендикулярно поверхні, =1+4Am/n32, n3 - комплексний показник заломлення зовнішнього середовища, , - деякі комбінації хвильового вектора. Коефіцієнт відбиття Ro и розглянутої системи можна виразити як:

Ro(и)=|Rp|=|S12p|, (2),

де S12 - елемент (2х2) матриці розсіювання

Sij, Sij = {I01L1I12}ij (3),

де I, L - (2х2) матриці Джонса межі поділу і шарів відповідно, I01, I12 - відносяться до межі скло - метал і метал-середовище відповідно, L1 - до шару металу.

Усі матриці визначаються ефективними оптичними сталими і ефективною товщиною матеріалу за винятком матриці I12, яка визначається рівнянням (1). З огляду на те, що розгляд проводиться стосовно шарів білкових молекул типу глобулінів, які прозорі у видимій області світла і мають близьку до сферичної форму, тензор молекулярної поляризуємості у виразі (1) був замінений скалярною величиною Ам. Відзначимо також, що для об'ємної фази поляризуємість може бути розрахована незалежно згідно рівняння Лоренц-Лорентца:

(4),

де - діелектрична стала, n - коефіцієнт заломлення адсорбованої речовини в конденсованій фазі, М - молекулярна вага, с-щільність, Na -число Авогадро.

Запропонована методика дозволяє розраховувати номограми (Рис.2) для конкретного типу біомолекул, з яких легко отримати значення поверхневої концентрації молекул за величиною зміщення кута ППР. В розділі також розглядається методика застосування методу за допомогою ППР сенсору. Описані методики відслідковування кутової позиції мінімуму поверхневого плазмонного резонансу та проведення ППР- вимірів.

У розділі 3 описані особливості розробленого приладу та приведені результати моделювання чутливості. В методі ППР є два основних інформативних параметри - залежність інтенсивності відбитого лазерного випромінювання від кута падіння (крива ППР) та кутова позиція ППР. На відміну від існуючих за кордоном серійних приладів, в яких визначається тільки кутова позиція ППР, в розробленому приладі визначаються обидва параметри. Для більш точного відтворення цих параметрів, в розробленому приладі були використані прецизійне калібрування по куту, ретрорефлекторний принцип відбиття а також варіювання кута падіння лазерного променя, яке забезпечує виміри як в газовому, так і в рідинному середовищі. Використання прецизійного калібрування по куту забезпечило можливість отримувати інформацію про оптичні параметри та товщину шарів безпосередньо з форми кривої ППР. Застосований ретрорефлекторний оптичний сенсорний блок дав можливість зменшити похибку, пов'язану з неоднорідністю вольт-ватної чутливості фотодетектора та більш правильно відтворювати форму кривої ППР. Значний кутовий діапазон приладу (190 для рідини) створює можливості для роботи з товстими плівками, а також підвищує точність розрахунків при математичному аналізі експериментальних ППР-кривих. Проведене моделювання дозволило уточнити оптимальні з точки зору чутливості приладу значення товщин і коефіцієнтів заломлення шарів у сенсорному блоці з урахуванням можливої модифікації шару металу діелектриком. Чутливість приладу розглядалась при цьому, як порівняльний параметр, що характеризує зміщення ППР - мінімуму при адсорбції на поверхні металу шару біомолекул з визначеними характеристиками. Результати моделювання показують, що, наприклад, нанесення на шар срібла шару діелектрика товщиною близько 40 нм з коефіцієнтом заломлення n=1.45 при нульовому значенні коефіцієнта поглинання k може дати помітне підвищення чутливості (Рис.3). При зростанні коефіцієнта поглинання ефект підсилення поступово зникає. Вказане явище пояснюється зростанням величини хвильового вектора плазмону при наявності діелектрика та зменшенням тангенціальної складової хвильового вектору фотону в області кутів падіння лазерного променя, близьких до р/2. В цьому ж розділі приведене порівняльне дослідження поліноміальної інтерполяції резонансного мінімуму поліномами різних ступенів. Виходячи з того, що точне визначення кута мінімуму ППР лежить в основі чутливості приладу, ділянку мінімуму експериментальної кривої ППР необхідно інтерполювати для зменшення впливу погрішностей, внесених дискретністю вимірів. Оптимальними при інтерполяції кривої були визначені поліноми третього та четвертого ступеня. В загальному випадку необхідно розглядати конкретну для експерименту форму кривої ППР та мати можливість вибору способу математичного аналізу мінімуму.

У розділі 4 обговорюється форма кривої ППР та вплив на неї діелектричних характеристик і геометрії шаруватої структури. Моделювання форми кривої з варіюванням оптичних параметрів та товщин шарів показує, що існує можливість виділення декількох параметрів досліджуваного шару при співставленні експериментальної і теоретичної кривих. Результати моделювання показують, що кожна конкретна зміна параметрів досліджуваної структури викликає конкретну зміну форми ППР-кривої (Рис.4.), а, значить, теоретично можливе отримання всіх оптичних параметрів шарів, виходячи з форми кривої ППР. З цією метою була розроблена програма, що дозволяє за умови правильно поставленого експерименту виділяти оптичні параметри досліджуваних шарів шляхом визначення та оцінки мінімумів цільової функції G, яка може бути виражена, як:

(5),

де G -цільова функція, Rt - теоретичне значення інтегрального коефіцієнта відбиття, Re - експериментальне значення, N - число точок на кривій ППР. На практиці число таких мінімумів головним чином залежить від правильного вибору моделі багатошарової системи, що розраховується. Тому є важливим знати, і, по можливості, враховувати при моделюванні всі основні фактори, що впливають на результати ППР- експерименту. В розділі приведено приклад співставлення експериментальних та теоретичних кривих ППР при дослідженні змін товщини та діелектричних характеристик шарів в процесі фотохімічної реакції на реальному об'єкті - багатошаровій структурі Ag-As2S3 (срібло-халькогенідне скло). Складність даного дослідження полягала в тому, що прямі спостереження з допомогою ППР не є можливими для для фоточутливого халькогенідного скла внаслідок наявності лазерного випромінювання приладу, яке ініціює фотохімічну реакцію. Тому As2S3 був попередньо нанесений шляхом вакуумного напилення на скляну платівку з шаром срібла і опромінений в різних зонах підкладки різними дозами ультрафіолетового випромінювання (УФ). Після цього халькогенід, що не прореагував, був відмитий в КОН, а товщина та структура отриманих плівок а кожній зоні залежала від дози УФ. Виміряні експериментальні криві ППР для кожної зони (Рис.5) пройшли процедуру співставлення з теоретичними, в результаті чого були отримані залежності товщин шарів (Рис.6) та комплексного коефіцієнта заломлення від дози УФ. При цьому порівняння різних моделей багатошарової структури показало, що мінімальну величину цільової функції дає модель (Рис.7), де присутні, окрім шару срібла та продукту реакції ще й поверхневий шорсткий шар, а також перехідний шар між сріблом та продуктом реакції з оптичними характеристиками, близькими до Аg2S. Ефективний коефіцієнт заломлення поверхневого шару був розрахований згідно рівняння:

(6),

де: V- коефіцієнт заповнення, nефф - комплексний ефективний коефіцієнт заломлення, nпрод - коефіцієнт заломлення продукту реакції, nсеред - коефіцієнт заломлення навколишнього середовища. Коефіцієнт заповнення V був розрахований з використанням даних рельєфу поверхні, отриманих з використанням атомно-силової мікроскопії.

Розділ 5 присвячений оптимізації використання z-складової затухаючого електричного поля поверхневого плазмону при дослідженні різнопланових структур. Затухаюче електричне поле поверхневого плазмону з хвильовим вектором kпп проникає на певну відстань z в середовище, що контактує з поверхнею металу, причому для z - компоненти поля , де kz може бути виражене, як

(7),

де kx -тангенціальна складова хвильового вектору фотона, с - швидкість, - частота світла, () - комплексна діелектрична функція металу, а - діелектрична функція середовища.

Для kx = kпп z - залежність для Ez компоненти затухаючої хвилі приблизно становить

(8)

Якщо підставити діелектричні сталі золота () = -13.5 та води = 1.77 (при довжині хвилі використовуваного лазерного випромінювання = 670 нм) в рівняння (8), то отримаємо типову глибину проникання для затухаючого поля плазмону в водне середовище над металом z ? 200 нм. Для ефективного використання простору, в якому поширюється затухаюча хвиля поверхневого плазмону, та підвищення чутливості, досліджувані біомолекули часто приєднують не до плоскої поверхні, а до гнучких полімерних ланцюгів, попередньо іммобілізованих на ній. Такий підхід надає можливість іммобілізувати на сенсорній платівці кількість молекул, еквівалентну кільком щільно упакованим шарам, зберігаючи при цьому їх доступність для взаємодії з іншими біомолекулами. Гелева полімерна структура також сприяє створенню більш природного середовища для взаємодії біомолекул, ніж поверхня золота. Найбільш поширена подібна полімерна матрична структура (матриця) формується за методом провідного виробника ППР-спектрометрів (“Biacore AB”, Швеція). Іммобілізація біомолекул в ній забезпечується електростатичною взаємодією негативно зарядженої карбоксиметильної групи з досліджуваною молекулою. Ця матриця не є оптимальною для білків з низькою ізоелектричною точкою (рІ), оскільки іммобілізація в ній однойменно з нею заряджених білків практично неможлива. В розділі описується дослідження за допомогою ППР полімерної структури на основі декстрану, взятої за основу при створенні нової матриці. Запропонована матриця (Рис.8.) на відміну від попередньої має дві функціональні групи-альдегідну та сульфатну. Перша, нейтрально заряджена, так само, як карбоксильна в матриці “Biacore”, ковалентно зв'язує білок, друга виконує функцію електростатичного втягування біомолекул. Дані ППР-тестування свідчать, що в розробленій матриці адсорбційна активність для біомолекул в діапазоні рІ від 4.1 до 10 достатньо висока (Рис.9). Перевагою матриці є можливість змінювати в ній кількість сульфатних груп, або зовсім виключати їх. Нейтральний заряд матриці дозволяє працювати з білками, що характеризуються низькою рІ, практично в при любому рН розчину. Як показало тестування, процес іммобілізації білку при цьому сповільнюється, але кількість іммобілізованого білку може бути навіть вищою, ніж за присутності сульфатних груп.

В процесі ППР- досліджень в макромолекулярних структурах можуть відбуватися конформаційні перетворення, які спричиняють слабку зміну діелектричних характеристик структури. Якщо товщина макромолекулярного шару є одного порядку з величиною z-компоненти електричного поля плазмону, такі зміни можуть бути зафіксовані за допомогою ППР. Подібним чином природну матричну структуру, що складається з білку Д1, (частина рослинної фотосистеми P2), було використано для реєстрації пестициду атразин в водних розчинах. Таку реєстрацію не можна зробити прямими ППР-вимірами, зважаючи на малу молекулярну масу атразину, яка складає приблизно 200 а.о. В запропонованій методиці молекула атразину заміщує складову частину білка Д1- пластохінон в силу більшої спорідненості та спричиняє зміну конформаційної структури білку (простіше-набухання). Процес набухання плівки фіксується приладом, як зміщення позиції мінімуму ППР в сторону менших кутів (Рис.10, крива 2), що відповідає зменшенню коефіцієнта заломлення плівки. Таким чином було зафіксовано концентрацію атразину на рівні 0.01 мкг/мл. Подібний ефект не спостерігається, в очищеному від пластохінону білку (Рис.10, крива 1), бо проста адсорбція молекул пестициду при низькій їх концентрації в розчині не фіксується ППР.

У 6 розділі описано дослідження впливу зовнішнього електричного потенціалу на параметри ППР та наведено приклад застосування розробленої модифікації ППР-приладу для електрохімічних досліджень. Спеціально сконструйована електрохімічна комірка приладу дозволяє проводити процес електрополімеризації мономерів безпосередньо на поверхні золота та відслідковувати in situ товщину отримуваної плівки полімеру. При цьому шар золота використовується в якості робочого електроду, платинова проволока в якості допоміжного, а срібна, оброблена в розчині NaCl -в якості референсного. Таким чином було отримано плівку поліаніліну та розраховано її товщину шляхом співставлення експериментальної та теоретичної ППР- кривих. В подальшому плівка досліджувалась одночасно з використанням циклічної вольтамметрії, хроноамперометрії та ППР. Відомо, що поліанілін відноситься до редокс - матеріалів та може знаходитись в 2-х станах - окисленому (An2+)n та відновленому (An)n. Було досліджено перехід поліаніліну з одного стану в другий при послідовній зміні потенціалу з -0.2V до 1.3V та при раптовій зміні потенціалу з 0V до 0.4V (Рис.11) шляхом реєстрації та обробки ППР-кривих, циклічних вольтаммограм та хроноамперограм. В результаті проведеної роботи було виявлено, що зміна форми кривої ППР та кутової позиції мінімуму сенсору під впливом зовнішнього електричного потенціалу може спостерігатись, головним чином, в трьох випадках: 1) зміни концентрації вільних електронів в приповерхневому шарі золота внаслідок прикладення до робочого електроду зовнішнього електричного потенціалу; 2) формування та зміни характеристик подвійного електричного шару на межі золото-електроліт, наприклад, в результаті зміни рН розчину, що використовується в якості електроліту; 3) зміни діелектричних характеристик середовища в зоні впливу затухаючої хвилі плазмону. Дослідження дало можливість розрахувати коефіцієнти заломлення для відновленого (1.4+0.02i) та окисленого (1.39+0.46i) станів та кінетичні сталі для процесів стискання (біекспоненціальна кінетика з сталими 910-3 сек-1 та 510-4 сек-1) та набухання (310-4 сек-1) плівки поліаніліну, що особливо важливо, враховуючи перспективність застосування подібних структур в якості штучних м'язів та керованого рельєфу. Подібні плівки можуть також використовуватись в якості низьковольтових функціональних оптоелектронних модуляторів з можливістю варіювання амплітуди та форми сигналу без використання складних схем управління.

У висновках коротко викладені найбільш важливі наукові та практичні результати.

ВИСНОВКИ

1. Процеси збудження поверхневого поляритон-плазмонного резонансу в сенсорах ППР за схемою Кречмана більш адекватно описуються в рамках моделі ізотропної багатошарової системи на основі матриці ефективних оптичних констант і товщини перехідних шарів, в якій враховано наявність перехідних шарів та геометричної неідеальністі поверхні. Ця модель дозволяє провести розрахунок основних параметрів сенсора і оптимізувати конструкцію чутливої частини сенсору.

2. Встановлено, що форма ППР-кривої та кутове положення мінімуму залежать від зовнішнього електричного потенціалу. Запропоновано механізм впливу, що базується на зміні комплексних діелектричних сталих як металу, так і досліджуваного молекулярного шару.

3. Встановлено, що форма кривої та кутове положення мінімуму ППР-сенсору з шаром срібла залежать від протікаючої на межі поділу Ag-As2S3 фотохімічної реакції. Доведено, що при формуванні структури Ag- As2S3 утворюється тонкий (близько 0,7-1 нм) проміжний шар Ag2S.

4. Запропоновано та розроблено полімерну матричну структуру на основі декстрану, що значно збільшує величину ППР-відгуку при іммобілізації в її об'ємі білків в порівнянні з іммобілізацією безпосередньо на поверхні металу. Диференціація функцій електростатичного притягування та ковалентного зв'язування між сульфатними та альдегідними групами дозволяє розширити діапазон використання ППР-біосенсорів по значенню рН досліджуваного середовища з біомолекулами.

5. Встановлено, що величина відгуку ППР зростає при вихідній кутовій позиції резонансу в діапазоні 75-800 в результаті зменшення тангенціальної складової хвильового вектору фотону в області кутів падіння лазерного променя, близьких до р/2.

6. Запропонована методика математичного аналізу форми кривої ППР дозволяє визначити не менше як три параметри (ефективні коефіцієнти заломлення та поглинання, товщина) досліджуваної структури.

7. Повне використання z-складової затухаючого електричного поля поверхневого плазмону при вимірюванні структур з товщиною порядку довжини хвилі дозволяє підвищити чутливість методу та спостерігати структурні зміни в досліджуваних матеріалах.

8. Запропоновано методику визначення концентрації біомолекул малих розмірів молекул з використанням природної матричної структури на основі рослинного білку D1, яка дозволяє досліджувати взаємодію між біомолекулами, молекулярна маса яких не перевищує 200 а.о.

9. Створений ППР-прилад має важливі переваги перед існуючими приладами, такі як можливість широкодіапазонного варіювання кута падіння лазерного променя, ретрорефлекторний принцип відбиття та автоматизовану систему калібрування, що дозволяє шляхом математичного аналізу експериментальної кривої ППР отримувати кількісні характеристики діелектричних констант та товщини плівок для широкого спектру досліджуваних матеріалів.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Kostioukevich S.A., Shirshov Y.M., Matsas E.P., Chegel V.I., Stronski A.V., Subbota Y.V., Shepelyavi P.E.. Application of surface plasmon resonance for the investigation of ultrathin metal films // SPIE Proc. of conference on optical diagnostics of materials and devices for opto-, micro-, and quantum electronics. - 1995.- vol. 2648.- P.144-151.

2. Beketov G.V., Shirshov Yu.M., Shinkarenko E.V., Chegel V.I. Surface plasmon resonance spectroscopy: prospects of superstrate refractive index variation for separate extraction of molecular layer parameters // Sensors & Actuators.- 1998. -B48.- P.425-432.

3. Shirshov Y.M., Chegel V.I., Subbota Y.V., Matsas E.P., Rachcov A.E., Sergeeva T.A.. Determination of dielectric constant and thickness of thin biological layers using surface plasmon resonance // SPIE Proc. of International conference on optical diagnostics of materials and devices for opto-, micro-, and quantum electronics. - 1995.- vol. 2648.- P.118-123.

4. Chegel V.I., Shirshov Y.M., Piletskaya E.V., Piletsky S.A.. Surface Plasmon Resonance Sensor for pesticide detection // Sensors & Actuators.- B48.- 1998.- P.456-461.

5. Chegel V.I., Subota Y.V., Maystrenko A.S., Shynkarenko E.V., Chegel Y.V. Computational modeling of surface plasmon resonance curves changes after thermal treatment of plasmon carrier layer // Proc. of 5th NEXUSPAN Workshop on Thermal Aspects in Microsystem Technology.- Budapest (Hungaary).- 1998.- P.59-62.

6. Lavrik N.V., Shirshov Y.M., Chegel V.I., Subota Y.V., Rachkov A.E. Factors affecting the rate of nonspecific protein binding onto solid surfaces: observation using SPR // SPIE Proc. Conference BiOS Europe'97.- 1998.- vol. 3199.- P.197-203.

7. Чегель В.І., Пілецький С.О., Пілецька О.В.. Реєстрація біомолекул малих розмірів методом поверхневого плазмонного резонансу // Вісник ХДУ.- № 434, Біофізичний вістник.- 1999.- Вип.3.- C.51-55.

8. Shirshov Y.M., Chegel V.I., Subota Y.V., Matsas E.P., Kostioukevich S.A., Rachcov A.E., Merker R.. Biosensors, based on SPR and optimization of their working parameters // SPIE Proc. of International Conference on metal/nonmetal Microsystems.- 1995.- vol. 2780.- P.257-260.

9. Chegel V., Shirshov Yu., Avilov S., Verevka S., Demchenko M., Mustafaev M. Oxidized polysaccharides as matrix structures for surface plasmon resonance biosensors // Functional Materials.- 2000.- 7.- 4 (1).- P.703-710.

10. Shirshov Y.M., Beketov G.V., Chegel V.I., Matsas E.P., Kostioukevich E.V., Venger E.F., Zynio S.A., Snopok B.A., Merker R.. Overall reflectivity curve analysis for enhancing the informativity of molecular layer studies using surface plasmon resonance // Proc. of European Conference on Organized Films. -Sheffield (UK). -1996.- P.7-10.

11. Chegel V., Shirshov Yu., Demchenko M., Mustafaeva Z., Avilov S. Polymeric gel structures for liquid chromatography. Characterization by surface plasmon resonance // Functional Materials.- 2000.- 7.- 4 (1).- P.717-722.

12. Chegel V., Raitman O., Katz E., Gabai R., Willner I. Photonic Transduction of Electrochemically-triggered redox-functions of polyaniline films using surface plasmon resonance spectroscopy // Chem. Commun.- 2001.- P.883-884.

13. Gabai R., Sallacan N., Chegel V., Bourenko T., Katz E and Willner I. Characterization of swelling of acryamidophenilboronic acid-acrylamide hydrogels upon interaction with glucose by Faradaic Sprctroscopy, Chronopotentiometry, quartz-crystal microbalance(QCM) and surface plasmon resonsnce (SPR) experiments // J.Phys.Chem. B.- 2001.- 105.- P.8196-8202.

14. Raitman O., Katz E., Willner I., Chegel V. and Popova G. Photonic Transduction of a Three-State Electronic Memory and of Electrochemical Sensing of NADH Using Surface Plasmon Resonance Spectroscopy // Angewandte Chemie.- 2001.- 40.- No.19.- Р. 3649-3652.

15. Авілов С.В., Верьовка С.В., Демченко О.П., Чегель В.І., Ширшов Ю.М. Порівняльне дослідження іммобілізації пероксидази хріну на поверхні золота методом поверхневого плазмонного резонансу // Український біохімічний журнал.- 2001.- т.73.- №2.- C. 44-50.

16. Chegel V.I., Shirshov Yu.M., Kostyukevich S.O., Shepeliavy P.E., Chegel Yu.V. Experimental investigations and computer modeling of the photochemical processes in Ag-As2S3 structures using surface plasmon resonance spectroscopy // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2001.- V4.- N 4.- P.301-306.

17. Chegel V.I., Chegel Y.V. SPR bioanalysys: simulation of biomolecular interactions and optimization of sensitivity of method // Abstract book of the 11th International Symposium on Pharmaceutical and Biomedical Analysis PBA 2000. -Basel (Switzerland).- 2000.-P.57.

18. Berezhinsky L.I., Chegel V.I., Shirshov Yu.M., Dovbeshko G.I., Melnichuk O.V. SPR-spectroscopy of protein molecules adsorbed in microwave field // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2001.- V4.- N 4.- P.343-347.

19. Chegel V., Shirshov Yu., Avilov S., Demchenko M., Mustafaev M. A novel aldehyde dextran sulfonate matrix for affinity biosensors // J.Biochem.Biophys Methods.- 2002.- V.50.- P.201-216.

20. Патент 46018 Україна, МПК G O1N 21/25 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.(Украина); Бюл.№5; Заявл.22.10.1997; Опубл. 15.05.2002.

АНОТАЦІЯ

Чегель В. І. Вплив діелектричних характеристик середовища та зовнішніх факторів на параметри фізичних та біологічних сенсорів на основі поверхневого плазмонного резонансу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2002.

Представлена робота присвячена дослідженню фізичних процесів взаємодії світла з багатошаровою плівковою структурою межі поділу: поверхня призми повного внутрішнього відбивання - досліджуване середовище та розробці нового високочутливого оптоелектронного спектрометра для реєстрації біологічних реакцій та кількісного визначення діелектричних характеристик та геометрії середовища в реальному режимі часу. В основу розробки було покладене явище поверхневого плазмон-поляритонного резонансу в тонких плівках золота та срібла.

Ключові слова: поверхневий плазмонний резонанс, оптоелектронний сенсор, біосенсор, фізичний сенсор, біомолекула, поляризація, пестициди, електрополімеризація, поліанілін.

SUMMARY

Chegel V.I. An influence of dielectric characteristics of ambient and external factors on parameters of physical and biological sensors, based on surface plasmon resonance. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of Candidate of Physical and Mathematical Sciences (Ph.D in physics and mathematics) on a specialty 01.04.01 - physics of devices, elements and systems. - Institute of Semiconductors Physics of National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2002.

The submitted work is concerned in the studies of physical processes of interaction of light with multylayer structures at the border: surface of prism of full internal reflection - researched material. The main aim of work is development of new high-sensitivity optoelectronic spectrometer for registration of biological reactions and quantitative real time registration of dielectric characteristics and geometry of materials of study. The development based on the phenomena of surface plasmon-polariton resonance in thin gold and silver films.

Keywords: surface plasmon resonance, optoelectronic sensor, biosensor, physical sensor, biomolecule, polarization, pesticide, electropolymerization, polyaniline.

АННОТАЦИЯ

Чегель В. И. Влияние диэлектрических характеристик среды и внешних факторов на параметры физических и биологических сенсоров на основе поверхностного плазмонного резонанса. - Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 - физика приборов, элементов и систем. - Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2002.

Представленная работа посвящена исследованию физических процессов взаимодействия света с многослойной пленочной структурой на границе раздела: поверхность призмы полного внутреннего отражения - исследуемая среда и разработке нового высокочувствительного оптоэлектронного спектрометра для регистрации биологических реакций и количественного определения диэлектрических характеристик и геометрии среды в реальном режиме времени. В основу разработки положено явление поверхностного плазмон-поляритонного резонанса в тонких пленках золота и серебра.

Приведены теоретические подходы к описанию многослойных структур, используемых при разработке сенсоров на основе поверхностного плазмон-поляритонного резонанса (ППР) в тонких пленках металлов. Показано, что процессы возбуждения ППР в сенсорах с конфигурацией Кречмана хорошо описываются в рамках модели изотропной многослойной системы на базисе матрицы эффективных оптических констант, в которой учтены эффективные оптические константы и геометрия переходных шаров. Предложен новый подход, позволяющий в дополнение к общепринятой оценке эффективных значений толщины и коэффициента преломления молекулярного шара давать количественную оценку поляризуемости и концентрации молекул на чувствительной поверхности сенсора.

Описана предложенная конструкция сенсорного блока и прибора ППР в целом. Созданный универсальный прибор ППР “ПЛАЗМОН-4м” имеет важные преимущества перед существующими приборами, такие как возможность широкодиапазонного варьирования угла падения лазерного луча, ретрорефлекторный принцип отражения и автоматизированную систему калибровки в полном диапазоне углов падения, что позволяет путем математического анализа ППР-кривой получать количественные характеристики диэлектрических констант и геометрии среды в зоне затухающего электрического поля поверхностного плазмона для широкого спектра исследуемых материалов.

Проведено моделирование чувствительности прибора. Показано, что уменьшение тангенциальной составляющей волнового вектора фотона при углах падения лазерного излучения, близким к р/2 (75-800) приводит к относительному увеличению смещения позиции ППР, т.е. повышению чувствительности сенсора ППР. Проведен сравнительный анализ полиномиальной интерполяции минимума кривой ППР полиномами разных степеней. Для получения максимальной чувствительности предпочтительнее использовать интерполяцию полиномами третьей и четвертой степени.

Исследована возможность выделения эффективных значений оптических параметов и толщины исследуемого слоя путем сопоставления теоретической и экспериментальной кривых ППР. Показано, что путем сопоставления возможно получение количественных данных относительно комплексного показателя преломления многослойных структур при условии высокой точности эксперимента и правильного выбора физической модели. С использованием предложенной методики исследована кинетика фотохимической реакции серебро-халькогенид и получены данные по оптическому профилю и геометрии изучаемой многослойной структуры.

Показано, что полное использование z-составляющей затухающего электрического поля поверхностного плазмона при исследовании слоевых структур толщиной порядка длины волны позволяет повысить чувствительность сенсора, а также наблюдать кон формационные изменения в исследуемых материалах. Предложенная объемная матричная структура на основе альдегид-декстран-сульфата (АДС-матрица) увеличивает величину ППР- отклика при иммобилизации в ее объеме белков в сравнении с иммобилизацией на поверхности металла. Среда АДС-матрицы благоприятна для прохождения в ней биологических реакций специфического взаимодействия, а дифференциация функций электростатического притяжения и ковалентного связывания между сульфатными и альдегидными группами матрицы позволяет существенно (до рН=4.1) розширить диапазон кислотности исследуемых сред, для которых можна использовать метод ППР (по сравнению с существующими, (рН=6). Предложена методика регистрации биомолекул малых размеров с использованием природной матричной структуры на основе растительного белка D1 которая позволяет исследовать взаимодействия между биомолекулами, масса которых не превышает 200 а.е.

Предложена методика применения модифицированного для исследований в области электрохимии ППР- прибора (ЭППР) для электрополимеризации мономеров и исследований физических процессов в полимерных структурах. Одновременное исследование диэлектрических характеристик образующихся слоев полимера в реальном режиме времени непосредственно на чувствительной поверхности сенсора открывает широкие возможности использования прибора в электрохимии. Приведен пример ЭППР - исследования полианилина, как редокс-вещества, изменяющего оптические характеристики под влиянием внешнего электрического поля. Дано физическое объяснение эффекту изменения диэлектрических свойств полимера и формы кривой ППР под воздействием приложенного извне электрического потенциала.

Ключевые слова: поверхностный плазмонный резонанс, оптоэлектронный сенсор, биосенсор, физический сенсор, биомолекула, поляризация, пестициды, электрополимеризация, полианилин.

Размещено на Аllbest.ru

...