Оптический сенсор на основе плазмон-индуцированной прозрачности и Фано-резонансов
OPTICAL SENSOR BASED ON PLASMON-INDUCED TRANSPARENCY AND FANO RESONANCES

Изобретение относится к оптическим измерительным устройствам, а точнее к датчикам, работающим на основе эффекта плазмонного резонанса, и предназначен для измерения малых концентраций искомых молекул. Прибор может работать как в жидких, так и в газообразных средах. Датчик, в частности, может быть использован для проведения высокочувствительного биохимического анализа, применяемого в медицине, при ранней экспресс-диагностике социально-значимых заболеваний, в фармакологической, нефтяной и газовой промышленности.
В настоящее время принцип плазмонного резонанса для регистрации молекул широко используется во всем мире, и уже существует множество зарубежных фирм, выпускающих приборы на основе указанного метода. Метод поверхностного плазмонного резонанса основан на определении показателя преломления анализируемой среды. В большинстве датчиков, использующих данный принцип, за основу работы взят принцип возбуждения поверхностного плазмона по схеме Кречмана: на диагональную грань стеклянной призмы наносится слой благородного металла, в котором оптически возбуждаются колебания газа свободных электронов - плазмоны, резонансная длина волны которых зависит от показателя преломления окружающей металл анализируемой области и проявляется в спектрах отражения в виде провалов оптической мощности. Световое излучение падает на металл со стороны призмы под углом, большим чем угол полного внутреннего отражения. Условием резонансного возбуждение плазмона является равенство касательной к поверхности раздела сред составляющей волнового вектора падающего фотона и вещественной части постоянной распространения поверхностного плазмона. Резонансная длина волны плазмонов (провал в спектре отражения) может быть определена значением угла, соответствующего минимуму отражения при определенной частоте возбуждающего оптического излучения (угловая интеррогация), значением длины волны, соответствующей минимуму отражения при определенном угле падения возбуждающего оптического широкополосного излучения (частотная интеррогация), изменением амплитуды сигнала при постоянной длине волны и угле падения возбуждающего оптического излучения (амплитудная интеррогация), а так же фазой отраженного излучения (фазовая интеррогация). Изменение концентрации искомого вещества в анализируемом растворе приводит к изменению диэлектрической проницаемости прилегающей к поверхности металла среды. В результате изменяются описанные выше условия резонансного возбуждения плазмона на поверхности раздела сред. В частности, изменяется угол, при котором оптическая мощность отраженного излучения достигает минимума. Чаще всего на поверхность металла наносятся специальные молекулы - лиганды, способные селективно связывать из исследуемого раствора искомый белок-аналит. В результате происходит рост поверхностного слоя молекул, прилегающего к металлической пленке, приводящий к изменению показателя преломления поверхностной области, что и вызывает изменение всех характеристик отраженного оптического сигнала. [Климов В.В. Наноплазмоника].
За время существования метода (около 30 лет) появилось много работ, направленных на улучшение его разрешающей способности и чувствительности. Среди них можно выделить техническое решение, связанное с созданием оптического волноводного слоя на некотором расстоянии от возбуждающей плазмон металлической пленки, что позволяет существенно уменьшить ширину линии отраженного оптического сигнала и увеличить чувствительность прибора. Данное техническое решение может служить аналогом изобретения. Как известно, чувствительность прибора, работающего на принципе поверхностного плазмонного резонанса, при амплитудной интеррогации, можно определить как отношение изменения интенсивности отраженного оптического излучения к единице изменения показателя преломления анализируемой среды, свойства которой, в данном случае - показатель преломления, зависит от концентрации искомых молекул. При этом, для повышения разрешающей способности сенсора необходимо, чтобы ширина линии была как можно меньше. Для реализации данной цели предложена структура, которая содержит после металлической пленки, возбуждающей плазмон, разделительную диэлектрическую область и внешний оптический волновод. Постоянная распространения внешней волноводной моды зависит от показателя преломления внешней области, прилегающий к оптическому волноводу. Область разделения должна состоять из оптически прозрачного материала, имеющего меньший показатель преломления чем волновод. Физический принцип увеличения чувствительности и разрешающей способности сенсора следующий:
При пространственном разделении металлической пленки, возбуждающей поверхностный плазмон, и внешнего волновода появляется возможность согласования постоянной распространения поверхностного плазмона и внешнего оптического волновода. При этом, в результате интерференции электромагнитных полей, одно из которых поле, возбуждаемое плазмонами, и другого поля, которое отражается от внешней границы оптического волновода, граничащей с внешней средой, возникают два эффекта: Фано-резонанс и плазмон-индуцированная прозрачность. При Фано-резонансах постоянные распространения поверхностного плазмона и поля волновода близки, но различны, а при плазмон-индуцированной прозрачности точно совпадают. В обоих случаях благодаря интерференционным эффектам на резонансной длине волны поле в области внешнего волновода усиливается, а в области возбуждающей плазмон металлической пленки ослабляется. Поскольку поглощение пропорционально квадрату поля в области, обладающей потерями, в данном случае, в металлической пленке поглощение при резонансе резко падает. В результате этого в дальней зоне (зоне наблюдения) регистрируется чрезвычайно узкий пик (максимум) интенсивности отраженного излучения. При этом, при амплитудной интеррогации чувствительность датчиков повышается на пять порядков по сравнению с датчиками, построенными на эффекте обычного плазмонного резонанса по схеме Кречмана. [D.V. Nesterenko…, J. of Optics, V. 18 p. 065004 (2016)], [S. Hayashi…, Applied Physics Express, V8, p. 051101 (2015)], [S. Hayashi…, Applied Physics Letters, V. 108, p. 051101 (2016)], [S. Hayashi…, J. Phys. D: Appl. Phys., V 48 p. 325303, (2015)].
В результате изменения диэлектрической проницаемости анализируемой среды, меняется непосредственно постоянная распространения внешнего оптического волновода и условия резонанса, приводящие к изменению амплитуды пика отраженного оптического сигнала. Расстояние между пленкой, в которой возбуждается плазмон, и внешним волноводом определяет силу взаимодействия поверхностного плазмона и волноводной модой. Как известно из теории Фано-резонансов, данное взаимодействие должно быть малым, что в данном случае обусловлено значительной шириной разделительной области и проявляется на практики в виде узкого отраженного сигнала. Взаимодействие при этом осуществляется в результате фотонного туннельного эффекта. [М. Yoshida. Physical Review, В 82, p. 045410 (2010)].
Недостатком данного технического решения является отсутствие селективности датчика по отношению к искомым молекулам, что является фактором, ограничивающим возможность регистрации их малых концентраций.
Удачным решением, позволяющим селективно регистрировать искомые малые концентрации молекул может служить изобретение, изложенное в патенте RU 2527699 С1. (Биологический сенсор и способ создания биологического сенсора). Биологический сенсор состоит из подложки, металлической пленки, на поверхность которой нанесен промежуточный связующий слой, выполненный из пленки графена, или оксида графена, или тонкой пленки из углеродных нанотрубок. На поверхности промежуточного связующего слоя адсорбируется биоспецифический слой. В качестве биоспецифического слоя может выступать слой молекул связывающего партнера анализируемого вещества или слой из комплекса биологических молекул, способных химически взаимодействовать с молекулами связывающего партнера и образовавших с ними комплекс.
Недостатком данного решения является то обстоятельство, что связующий слой графена, оксида графена или углеродных нанотрубок, наносятся непосредственно на металлическую пленку, а не на диэлектрик (диэлектрический волновод), в результате чего отсутствует возможность увеличения чувствительности датчика за счет эффектов Фано-резонанса и плазмон-индуцированной прозрачности.
Другим техническим решением, позволяющим селективно связывать на рабочей поверхности искомые молекулы является использование для этих целей полупроводниковой пленки. Так, в работе [Gan Siew, … ZnO for performance enhancement of surface plasmon resonance biosensor: a review, Mater. Res. Express 7 (2020) 012003] изложена возможность применения пленки ZnO для селективного связывания аналита на рабочей поверхности сенсора. Недостатком данного решения так же является небольшая чувствительность прибора.
Кроме полупроводниковой пленки, для селективного присоединения искомых молекул к сенсорному элементу может быть использована пленка из графена или оксида графена. В работе [Omer Salihoglu, … Plasmon-polaritons on graphene-metal surface and their use in biosensors, APPLIED PHYSICS LETTERS 100, 213110(2012) показана возможность регистрации белковых молекул в датчиках, работающих на принципе плазмонного резонанса. Для присоединения искомых белковых молекул к металлической пленки, в которой возбуждаются поверхностные плазмоны используется графен. Недостатком технического решения так же является малая чувствительность прибора, при которой минимальный порог регистрации молекул находится в пределах десятков нМоль.
Интересным применением восстановленного оксида графена является высокочувствительный сенсор на поверхностном плазмонном резонансе, изложенный в работе [Tianyu Xue1, … R6G molecule induced modulation of the optical properties of reduced graphene oxide nanosheets for use in ultrasensitive SPR sensing, Scientific Reports, 18 February 2016]. В статье описан принцип регистрации R6G молекул - красителя родамина, которые известны как флуоресцентные метки и широко применяются в медико - биологическом анализе. На поверхности золотой пленки находится электрохимически восстановленный оксид графена, диэлектрическая проницаемость которого зависит от концентрации молекул R6G. Данное обстоятельство позволяет довести предел детектирования молекул вплоть до 1017 моль. Однако, как и в предыдущих случаях, в данной работе отсутствуют вышеизложенные методы Фано-резонансов, позволяющие дополнительно улучшить чувствительность прибора.
-17
Еще одним аналогом изобретения является техническое решение, изложенное в работе [Tianyu Xue, … Ultrasensitive detection of miRNA with an antimonene-based surface plasmon resonance sensor, Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-018-07947-8]. В данной работе изложен принцип регистрации малых концентраций микро - РНК молекул с минимальным пределом детектирования вплоть до 10 аМоль. (10 М, примерно 30 молекул на 5 микролитров). Принцип работы устройства также основан на методе поверхностного плазмонного резонанса. В данном сенсоре произведена абсорбция золотых наностержней, связанных с однозвенными ДНК молекулами, на поверхность нанослоев сурьмы, которые, в свою очередь, нанесены на поверхность золотой пленки, в которой возбуждается поверхностный плазмон. При связывании комплекса золотой наностержень-однозвенная ДНК молекула с искомой микро - РНК молекулой происходит десорбция всей системы с поверхности сурьмы. За счет того, что показатель преломления золотого наностержня сильно отличается от показателя преломления белка, средний показатель преломления поверхностной области изменяется при этом весьма существенно, что приводит к чрезвычайно сильному изменению отраженного оптического сигнала, в результате чего достигается столь низкий порог детектирования молекул. Недостатком данного технического решения является слишком широкое угловое распределение полосы отражения оптического излучения, что является препятствием для дальнейшего увеличения чувствительности прибора.
Для связывания комплекса наночастица - микро - ДНК молекула на поверхности сенсора помимо вышеизложенного полупроводникового материала - сурьмы, может быть использован графен. В работе [Briliant Adhi Prabowoa, … Graphene-based portable SPR sensor for the detection of Mycobacterium tuberculosis DNA strain 30th Eurosensors Conference, EUROSENSORS 2016 Procedia Engineering 168 (2016) 541-545] показана возможность регистрации туберкулезных микробактерий - палочки Коха с использованием в качестве связующего элемента - графена. Механизм детектирования так же как и в предыдущем примере связан с отрывам комплекса однозвенная ДНК - молекула - золотая наночастица с поврхности при присоединении к данному комплексу комплементарной молекулы ДНК. Нижний предел детектирования при этом составил 28 ф Моль. Кроме графена, аналогичным связующим материалом к поверхности сенсора комплексов наночастица - ДНК молекула может служить оксид графена. [Tianyu Xue, … Surface plasmon resonance technique for directly probing the interaction of DNA and graphene oxide and ultra-sensitive biosensing, Biosensors andBioelectronics58(2014)374-379]. Нижний предел детектирования в данной схеме так же довольно низкий и составляет 10 фемто Моль. Несмотря на столь низкий предел обнаружения молекул, возможности его дальнейшего уменьшения не исчерпаны, что подтверждает предлагаемое техническое решение.
Устранить недостатки вышеприведенных аналогов изобретения, а именно, придать селективность схеме сенсора, использующей принцип Фано-резонанса, а так же использовать данный принцип в схемах, основанных на традиционных методах измерения показателя преломления, основанных на возбуждении поверхностного плазмона, возможно с помощью технического решения, предлагаемого в данном изобретении.
2
x
Схема предлагаемого датчика может быть реализована в трех вариантах, фиг. 1 и фиг. 2. Во всех исполнениях, датчик состоит из оптической призмы 1, соединенной со стеклянной пластиной (подложкой) 3 через иммерсионную жидкость 2, причем показатели преломления призмы, жидкости и подложки совпадают. Стеклянная пластина - подложка 3 - содержит на одной из своих сторон (противоположной от призмы) следующие нанесенные слои: слой благородного металла, например, золото 4, в котором возбуждается поверхностный плазмон, диэлектрический разделительный слой 5 с показателем преломления меньшим, чем показатели преломления призы (пластины) и последующего волноводного слоя 6. Разделительный слой может быть выполнен из прозрачного диэлектрического материала, например, MgF. Следующий за ним волноводный слой 6 выполняется из диэлектрического материала с высоким показателем преломления и минимальными оптическими потерями. В качестве примера, волноводный слой может быть изготовлен из нестехиометрического оксида кремния SiO, показатель преломления которого можно регулировать долей содержащегося в веществе кислорода. [В.Н. Кручинин, … Оптика и спектроскопия, 2019, том 127, вып. 5, стр. 769]. Другим примером материала использованного в качестве волноводного слоя может быть ZnS. Далее, за волноводным слоем следует в первом варианте (фиг. 1) адсорбирующий слой 7, способный селективно связывать анализируемые молекулы из газовой или жидкой среды. Постоянная распространения волноводной моды и соответственно резонансные условия взаимодействия поверхностный плазмон-волновод будут в данном случае зависеть от показателя преломления внешней поверхностной области слоя 7 за счет увеличения абсорбированных белковых молекул. Кроме этого, адсорбирующий слой 7 в результате воздействия абсорбированных молекул, способен изменять свой собственный показатель преломления, что, в свою очередь, так же приведет к изменению постоянной распространения оптического волновода и резонансных условий системы поверхностный плазмон - оптический волновод. В результате происходит изменение амплитуды отраженного оптического сигнала, что и позволит зафиксировать изменение искомой концентрации аналита. Примером данного абсорбирующего слоя может быть полупроводниковый слой ZnO, который способен поглощать молекулы кислорода, приводящие к изменению концентрации свободных электронов и показателя преломления данного вещества. [М. Wille, … Nanotechnology, Vol. 27, №22, p. 225702, (2016)]. Кроме полупроводникового материала, в качестве слоя 7 может быть использован слой из восстановленного оксида графена, который так же способен изменять свой показатель преломления в зависимости от концентрации адсорбированных на его поверхности молекул, количество которых определяет положение уровня Ферми и соответственно диэлектрическую проницаемость пленки. Во втором варианте (фиг. 2) на поверхность волноводного слоя 6 наносится тонкий (в несколько нанометров) связующий слой 8, предназначенный для создания возможности присоединения молекул - лигандов 9, способных селективно связывать искомые молекулы - аналит. Связующий слой 8 может быть выполнен из полупроводниковых материалов, например, ZnO, нанослоев сурьмы (Sb), а так же из графена или тонкой пленки из однослойных или многослойных углеродных нанотрубок, а так же тонкой пленки из оксида графена, которые в данном случае наносятся на диэлектрическую поверхность. Далее, на связующий слой 8 наносятся в одном случае биоспецифические молекулы 9 фиг. 2, в качестве которых может выступать слой молекул связывающего партнера анализируемого вещества или слой из состава биологических молекул, способных химически взаимодействовать с молекулами связывающего партнера и образовывать с ними связь. В другом случае (3 вариант) в качестве биоспецифических веществ наносимых на связующий слой 8, (состоящий из полупроводникового материала, графена или оксида графена), могут быть использованы комплексы, каждый из которых представляет собой связанную молекулу лиганда (например, однозвенную ДНК молекулу) и наночастицу. Наночастица может быть выполнена из благородного металла, например, золота, или диэлектрического материала, например ZnO. При этом важно, чтобы показатель преломления наночастицы как можно больше отличался бы от показателя преломления белка и наночастица была бы биосовместима с биологическими молекулами.
Принцип работы датчика следующий:
Входное лазерное излучение, под определенным углом, большем чем угол полного внутреннего отражения и соответствующем режиму Фано-резонанса или плазмон - индуцированной прозрачности, падает сквозь призму 1, через иммерсионную жидкость 2 и стеклянную пластину (подложку) 3 на металлический слой из благородного металла, например, золота, 4, в котором возбуждается поверхностный плазмон. Поле поверхностного плазмона возбуждает моду оптического волновода. При равенстве постоянных распространения плазмона и волновода имеет место явление плазмон-индуцированной прозрачности, которое выражается во взаимной компенсации полей в области металлической пластины, в результате деструктивной интерференции поля, отраженного от внешней границы волновода и поля поверхностного плазмона. Поскольку, как было уже сказано, поглощение электромагнитного излучения в металле пропорционально квадрату интенсивности поля, именно данный узкий интерференционный минимум проявляется в спектре отражения в дальней зоне в качестве максимума отраженного сигнала. В случае Фано-резонансов постоянные распространения поверхностного плазмона и волновода имеют небольшую отстройку друг от друга. При этом, так же происходит интерференция полей, в области металлической пластины, но, в отличие от эффекта плазмон - индуцированной прозрачности, интерференция может быть как конструктивной (усиливающей), так и деструктивной, что соответствует минимуму (максимуму) интенсивности отраженного излучения в дальне зоне. В области волновода в обоих случаях имеется максимум поля, которое может быть усилено на семь порядков по сравнению с падающем полем. В случае реализации схемы с одним нанесенным на оптический волновод абсорбционным слоем 7, способным селективно связывать искомые молекулы (например ZnO графен или оксид графена, однослойные или многослойные углеродные нанотрубки), постоянная распространения волновода зависит от показателя преломления анализируемой поверхностной области, который в свою очередь зависит от толщины и плотности слоя абсорбированных белковых молекул. Кроме того, как было сказано выше, показатель преломления абсорбционного слоя 7 (полупроводник, восстановленный оксид графена) сам может зависеть от концентрации искомых абсорбированных молекул, селективно связанных на его поверхности, в результате чего меняется постоянная распространения моды оптического волновода, что в свою очередь, приводит к изменению резонансных условий волновод - поверхностный плазмон и, как следствие, к изменению амплитуды выходного оптического сигнала.
В случае использования связующего слоя 8 (полупроводниковый материал, графен, оксид графена, пленки из однослойных и многослойных углеродных нанотрубок) его толщина должна оставаться в нанометровом масштабе, чтобы затухание вытекающего поля оптического волновода не было значительным в области десорбции искомых молекул.
При использовании комплексов наночастица - белок, наночастица может быть выполнена из материала, показатель преломления которого сильно отличается от показателя преломления белка - 1,4. Это может быть полупроводник, благородный металл и т.д. Форма наночастицы также может быть различной: наностержень, сфера, призма и т.п. Белок-лиганд или одноцепочечная молекула ДНК связывается с наночастицей и данный комплекс абсорбируется на поверхности связующей пленки. При взаимодействии белка-лиганда с искомой молекулой - аналитом происходит уменьшение энергии связи комплекса с поверхностью, в результате чего он десорбируется. В результате того, что показатель преломления наночастицы сильно отличается от показателя преломления белка, средний показатель преломления при этом, будет изменяться значительно сильнее, что приведет к увеличению чувствительности датчика. При использовании металлической частицы, изначально абсорбированный на поверхности комплекс уничтожит проявление эффектов Фано-резонансов и плазмон-индуцированной прозрачности, поскольку метал обладает сильным поглощением, в результате чего затухание в волноводе станет значительным и резонансы исчезнут. Однако, при подборе соответствующей концентрации комплексов белок - металлическая наночастица, соответствующей пороговому режиму возникновения фано - резонансов или плазмон - индуцированной прозрачности, взаимодействие комплексов с искомыми молекулами приводящее к десорбции их с поверхности будет сопровождаться резким изменением амплитуды поля узкополосного отраженного излучения, в результате появления резонансов, что так же увеличивает чувствительность датчика.