СПЕКТРОМЕТР НА ОСНОВЕ ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСА
SPECTROMETER BASED ON SURFACE PLASMON RESONANCE

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании биосенсоров и биодетекторов на основе поверхностного плазменного резонанса и для проведения спектрального анализа малого количества вещества.
Поверхностный плазменный резонанс - это явление поверхностного возбуждения плазмонов посредством света. Оно возникает на поверхности металлов при условии полного внутреннего отражения. Термин «поверхностный плазменный резонанс» в используемом в настоящем описании смысле относится к оптическому явлению, которое позволяет проводить анализ взаимодействий в режиме реального времени посредством регистрации свойств и изменений свойств исследуемого вещества на матрице, состоящей из пластины с металлическим покрытием.
Известен ряд технических решений в виде устройств, предназначенных для получения и исследования спектра поверхностного плазменного резонанса, например, по патенту Великобритании №GB 2197065 A [1] и по патенту Кореи №KR 100856090 [2]. Недостатком технических решений, представленных в данных патентах, является невозможность обеспечения проведения одновременных измерений на разных длинах волн, что снижает достоверность исследования вещества из-за получения недостаточно точных спектральных характеристик исследуемого вещества.
Известно техническое решение в виде устройства по патенту Германии №DE 102007021563 A1, позволяющее проводить измерения для разных длин волн при фиксированном угле [3]. Однако измерения при фиксированном угле не позволяют однозначно восстановить спектральную характеристику исследуемого вещества.
Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является устройство для получения и исследования спектра поверхностного плазменного резонанса, приведенное в описании к патенту РФ №2170913 [4], содержащее источник света с непрерывным спектром, коллиматор, поляризатор, два ломанных зеркала, прозрачный сосуд, заполненный жидкостью, с дном с полупрозрачной металлической пленкой, и диспергирующие элементы с фотодиодными линейками.
Недостатком данного технического решения является измерение на малом количестве углов, равном количеству граней ломаного зеркала, диспергирующих элементов и фотодиодных линеек. Это» не позволяет точно восстановить спектральные характеристики исследуемого вещества.
Кроме того, общим недостатком устройств, предназначенных для получения и исследования спектра поверхностного плазменного резонанса является то, что чувствительность современных биодетекторов на основе нарушенного полного внутреннего отражения фактически ограничена тепловыми шумами. При прокачивании жидкости вдоль слайда с активным слоем неизбежно возникают тепловые флуктуации. Показатель преломления воды зависит от температуры, поэтому возникают флуктуации показателя преломления исследуемой жидкости и как следствие - флуктуации сигнала с биодетектора.
Технической задачей, решаемой в представленном изобретении является обеспечение получения спектра поверхностного плазменного резонанса в непрерывном оптическом диапазоне длин волн в режиме реального времени, что позволяет избавиться от тепловых шумов и более точно восстановить спектральные характеристики исследуемого вещества, и, таким образом, значительно повысить чувствительность биодетектора,
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что представленный спектрометр на основе поверхностного плазменного резонанса содержит последовательно расположенные на одной оптической оси источник света с непрерывным спектром, коллиматор, поляризатор, устройство нарушенного полного внутреннего отражения с отражающим элементом, диспергирующее устройство и фокусирующий объектив и отличается от предшествующих технических решении тем, что он дополнительно содержит светочувствительную фотоматрицу, установленную в фокусе объектива, а между поляризатором и устройством нарушенного полного внутреннего отражения установлена цилиндрическая линза или цилиндрическое зеркало (для обеспечения падения света в необходимом диапазоне углов).
Возможны дополнительные варианты выполнения спектрометра, в котором целесообразно чтобы:
- устройство нарушенного полного внутреннего отражения выполнено в виде призмы или полуцилиндра;
- отражающий элемент выполнен в виде диэлектрической пластины с металлическим покрытием;
- отражающий элемент установлен на гипотенузной плоскости призмы;
- отражающий элемент установлен на плоской поверхности полуцилиндра.
Таким образом, введение в конструкцию устройства спектрометра цилиндрической линзы, использование только одного диспергирующего элемента и использование вместо набора фотодиодных линеек матрицы фотоэлементов позволяет обеспечить получение спектра поверхностного плазменного резонанса в непрерывном оптическом диапазоне длин волн в режиме реального времени, что позволяет избавиться от тепловых шумов и более точно восстановить спектральные характеристики исследуемого вещества, и, таким образом, значительно повысить чувствительность биодетектора. Предлагаемое техническое решение представляет собой спектрометр для получения спектра поверхностного плазменного резонанса в непрерывном диапазоне длин волн в режиме реального времени.
Краткий перечень чертежей.
На фиг.1 представлена общая схема спектрометра (вид сверху).
На фиг.2 представлена общая схема спектрометра (вид сбоку).
На фиг.3 представлена схема устройства нарушенного полного внутреннего отражения.
На фиг.4 представлена фотография установки (пример конкретного исполнения).
На фиг.5 представлено изображение спектра, полученное с фотоматрицы.
На фиг.6 представлен график зависимости отражения света от угла падения на определенной длине волны.
Спектрометр состоит из источника излучения 1, коллиматора 2, прямоугольной диафрагмы 3, поляризатора 4, цилиндрической линзы 5 (для обеспечения падения света в необходимом диапазоне углов), устройства нарушенного полного внутреннего отражения, выполненного в виде призмы 6 с отражающим элементом в виде слайда с нанесенной тонкой металлической пленкой 7, диспергирующего утройства в виде дифракционной решетки 8, фокусирующего объектива 9, фотоматрицы 10.
Спектрометр работает следующим образом:
Световые лучи от источника излучения света непрерывного спектра 1 проходят через коллиматор 2 с прямоугольной диафрагмой 3 и поляризатор 4. На выходе из коллиматора 2 сформированный пучок световых лучей имеет прямоугольное сечение однородной интенсивности. После прохождения через поляризатор 4, световые лучи становятся р-поляризованными, что является необходимым условием для возбуждения поверхностных электромагнитных волн на слайде с тонкой металлической пленкой 7. В зависимости от диаметра светового пучка и диаметра поляризатора поляризатор 4 может быть размещен на оптической оси светового пучка либо внутри коллиматора, либо между коллиматором и цилиндрической линзой 5. Пучок поляризованных световых лучей проходит через цилиндрическую линзу 5, которая фокусирует пучок световых лучей после прохождения его через боковую грань призмы 6 в узкую полоску на слайде с тонкой металлической пленкой 7, расположенном на гипотенузной грани призмы 6 устройства нарушенного полного внутреннего отражения. Цилиндрическая линза 5 формирует сходящийся пучок света с непрерывным спектром на отражающем элементе устройства нарушенного полного внутреннего отражения таким образом, что обеспечивается необходимый диапазон углов падения света на слайд. Отраженный свет затем раскладывается диспергирующим элементом и фокусирующим объективом формируется изображение на фотоматрице, где каждой строке пикселей соответствует определенная длина волны, а каждому столбцу - определенный угол падения. Таким образом, под воздействием цилиндрической линзы 5 падение пучка световых лучей происходит в некотором диапазоне углов, и каждой длине волны соответствует свой резонансный угол падения. Отразившись от слайда с тонкой металлической пленкой 7 на гипотенузной грани призмы 6 устройства нарушенного полного внутреннего отражения, пучок световых лучей выходит через вторую боковую грань призмы 6 и проходит через диспергирующий элемент в виде дифракционной решетки 8, штрихи которой параллельны плоскости падения. Поэтому пучок световых лучей раскладывается по длинам волн в вертикальном направлении. В первом порядке дифракции расположен фокусирующий объектив 9, в фокусе которого расположена фотоматрица 10.
Благодаря такому расположению и такой геометрии элементов устройства, падающий свет формирует изображение на фотоматрице, где каждой строке пикселей соответствует определенная длина волны, а каждому столбцу - определенный угол падения света. Предложенное техническое решение конструктивно устроено таким образом, что в процессе измерения световое пятно на слайде остается неподвижным. Это позволяет существенно повысить точность измерения поверхностного плазменного резонанса и, что более важно, детектировать его малые изменения. Изображение, полученное с фотоматрицы позволяет получить более точную спектральную характеристику исследуемого вещества на слайде.
На фиг.4 представлен общий вид установки, смонтированной на оптическом столе из оптомеханических компонентов компании Thorlabs. В качестве источника света 1 с непрерывным спектральным диапазоном использована галогеновая лампа Osram 12 V, 10 W. Коллиматор 2 собран из линз с фокусным расстоянием F1=30 мм (d=25 мм), F2=35 мм (d=25 мм), F3=80 мм (d=50 мм), отверстие диафрагмы 3-1 мм, поляризатор 4 LPVIS. Затем следует регулируемая прямоугольная диафрагма 3 с прямоугольным отверстием высотой h=10 мм, шириной d=5-50 мм. Стоящий за ней экран 11 позволяет регулировать диаметр пучка света от 0 до 10 мм. Отразившись от зеркала 12, свет проходит через цилиндрическую линзу 5, высотой 25 мм, шириной 50 мм, фокусное расстояние F=100 мм.
Устройство нарушенного полного внутреннего отражения состоит из прямоугольной треугольной призмы 6 (гипотенузная грань размером 30 на 20 мм из стекла ВК7), кюветы и слайда 7 из боросиликатного стекла толщиной 0,4 мм с золотой пленкой толщиной 40 нм. Призма с кюветой закреплены на вращающемся столике 13, что позволяет устанавливать необходимый угол падения световых лучей.
После устройства нарушенного полного внутреннего отражения пучок света отражается от зеркала 14 и дополнительной цилиндрической линзой 15 с f=100 MM направляется на дифракционную решетку 8 (600 штрихов/мм). В первом порядке дифракции расположена фотокамера 10 Tholabs DCC1545M с объективом 9 f=25,4 мм. Время выдержки фотоматрицы устанавливается на 10-15 мс. Рабочий диапазон - 600-900 нм. Нижняя граница обусловлена слабым плазменным резонансом на коротких длинах волн. Верхняя граница - диапазоном чувствительности фотоматрицы.
На фиг.5 приведено изображение, получаемое с камеры. Вдоль вертикальной оси меняется длина волны, вдоль горизонтальной - угол. Темная область соответствует нарушенному полному внутреннему отражению. График на фиг.6 представляет собой срез фотографии по горизонтали и фактически представляет график зависимости отражения света от угла падения на определенной длине волны.
Представленная установка - спектрометр на основе поверхностного плазменного резонанса позволяет обеспечить получение спектра поверхностного плазменного резонанса в непрерывном оптическом диапазоне длин волн в режиме реального времени, а также избавиться от тепловых шумов и более точно восстановить спектральные характеристики исследуемого вещества, и, таким образом, значительно повысить чувствительность биодетектора.
Предложенное устройство - спектрометр на основе поверхностного плазменного резонанса для получения спектра поверхностного плазменного резонанса в непрерывном диапазоне длин волн относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при создании безметковых биосенсоров и биодетекторов на основе поверхностного плазменного резонанса или для проведения спектрального анализа малого количества вещества.
Данная конструкция предложенного спектрометра может быть применима для регистрации изменений в концентрациях белков на биосенсорной матрице, например, используя систему BIAcore™ (Pharmacia Biosensor AB). Такую систему можно использовать для целей молекулярной диагностики. Так же она позволит измерять химические константы ассоциации и диссоциации между биомолекулами. Кроме того, устройство может быть использовано для контроля и регистрации концентрации химических и биохимических веществ в различных промышленных процессах, происходящих с использованием биологического материала.
Таким образом, новая взаимосвязь известных элементов спектрометра и дополнительно введенных цилиндрической линзы и фотоматрицы позволяет получить неочевидный для такого дополнения технический результат, а именно существенно повысить чувствительность биодетектора за счет возможности измерения спектральных характеристик исследуемого вещества в непрерывном диапазоне частот в режиме реального времени, что, в свою очередь, позволяет практически исключить влияние тепловых шумов.
Источники информации:
1. Патент GB 2197065A, кл. G01N 33/543, 1988.
2. Патент KR 100856090, кл. G01N 21/25, 2008.
3. Патент DE 102007021563 A1, кл. G01J 3/42, 2008.
4. Патент РФ №2170913, кл. G01J 3/42, 2001.