Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1593 / 256 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00
ISBN: 978-5-9963-0124-9
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 23:

Принципы работы ППР-сенсоров. Промышленные ППР-сенсоры

Аннотация: Раскрыты принципы поверхностного плазмонного резонанса и применения этого явления в сенсорах. Проанализированы факторы, от которых зависит физическая разрешающая способность таких сенсоров. Описаны наиболее интересные интеллектуальные ППР-сенсоры, выпускаемые промышленностью

Цель лекции: oзнакомить слушателей с явлением поверхностного плазмонного резонанса (ППР) и с принципами его применения для построения сенсоров. Объяснить, от чего зависит разрешающая способность и чувствительность ППР-сенсоров и как с помощью математической обработки результатов измерений можно значительно превзойти физическую разрешающую способность. Рассказать о типичной технологии ППР-анализов при исследованиях в биохимии, иммунологии, онкологии, вирусологии, биотехнологии. Описать наиболее интересные интеллектуальные ППР-сенсоры, которые выпускаются промышленностью.

23.1. Поверхностный плазмонный резонанс и его применение для построения сенсоров

Сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса (ППР) или сокращенно " ППР сенсоры " – это относительно новый класс сенсоров в отличие от рассмотренных в предыдущих лекциях спектрофотометрических и люминесцентных сенсоров.

Явление поверхностного плазмонного резонанса открыто в конце 60-х годов ХХ века.

23.1.1. Сущность явления ППР условия его наблюдения

Поверхностные плазмоны – это волны переменной плотности электрического заряда, которые могут возникать и распространяться в электронной плазме металла вдоль его поверхности или вдоль тонкой металлической пленки.

Оказалось, что при определенных условиях поверхностные плазмоны могут возбуждаться под воздействием поляризованного света. В 1968 г. это было продемонстрировано в работе [ [ 74 ] ]. Схема наблюдения ППР, которую стали называть по фамилии автора "геометрией Кречмана", показана на рис. 23.1.

Схема оптического наблюдения явления ППР: 1 – прозрачная среда с высоким показателем преломления; 2 – тонкая металлическая пленка; 3 – затухающая электромагнитная волна; 4 – исследуемая жидкость

Рис. 23.1. Схема оптического наблюдения явления ППР: 1 – прозрачная среда с высоким показателем преломления; 2 – тонкая металлическая пленка; 3 – затухающая электромагнитная волна; 4 – исследуемая жидкость

Свет проходит сквозь оптически прозрачную среду 1 с относительно большим показателем преломления, например, сквозь призму из стекла и падает под определенным углом на тонкую металлическую пленку 2, нанесенную на поверхность стекла. Угол падения должен быть больше угла полного внутреннего отражения. Часть света проникает в металл и распространяется в нем в виде быстро затухающей электромагнитной волны 3. Последняя возбуждает колебания свободных электронов металла – т.н. "электронной плазмы". И в этой плазме могут возникать коллективные колебательные движения электронов, которые принято описывать как квазичастицы – т.н. "поверхностные плазмоны".

Возбуждение становится особенно эффективными при условиях, если:

  1. свет поляризован;
  2. поляризация его такова, что электрический вектор электромагнитной волны лежит в плоскости падения, а магнитный вектор параллелен поверхности металла;
  3. проекция k_x волнового вектора \overline{k} фотонов света на плоскость пленки равна волновому вектору k_{sp} поверхностного плазмона.

Когда эти условия выполнены, то значительная часть энергии света превращается в энергию плазмонов, из-за чего интенсивность отраженного от поверхности металлической пленки света резко падает. Это явление и называют "поверхностным плазмонным резонансом".

Если металлическая пленка 2 достаточно тонка (< 200 нм), то значительная часть затухающей в металле электромагнитной волны достигает противоположной поверхности металла. И тогда ППР становится чувствительным к свойствам той среды 4, которая контактирует с металлом с другой стороны пленки. От электрической поляризации этой среды, в частности от её диэлектрической постоянной (которая у диэлектриков равна квадрату показателя преломления света), зависит положение минимума кривой ППР.

Условие равенства волновых векторов записывается в виде

\frac{2\pi}{\lambda}n_C\sin\theta=k_{\textit{ПП}}\sqrt{\frac{\varepsilon_M n^2}{\varepsilon_M+n^2}}, ( 23.1)
где \lambda – длина волны света; n_C – показатель преломления среды, на поверхности которой находится металлическая пленка (обычно стекла); \theta – угол падения света на металлическую пленку; k_{\textit{ПП}} – волновой вектор поверхностного плазмона металлической пленки; \varepsilon_M – модуль комплексной диэлектрической проницаемости металла; n – показатель преломления среды, которая находится на противоположной стороне металлической пленки.

Как видно из этой формулы, изменения свойств металла или показателя преломления среды 4 изменяют правую сторону уравнения (23.1), вследствие чего положение резонанса изменяется.

23.1.2. Виды кривой ППР

Типичная кривая ППР, т.е. зависимость интенсивности отраженного металлической пленкой света от проекции волнового вектора k_x на плоскость пленки, показана на рис. 23.2. Здесь по вертикали отложена в относительных единицах интенсивность І отраженного света, а по горизонтали – проекция k_x или пропорциональная ей величина ((n_c\sin\theta)/\lambda) – тоже в относительных единицах. Наблюдается четкий и довольно острый резонанс. При изменении свойств металлической пленки (значений k_{\textit{ПП}} и \varepsilon_M ) или показателя преломления n расположенной снаружи среды минимум резонансной кривой заметно смещается.

Типичная кривая ППР – зависимость интенсивности отраженного света от проекции волнового вектора на плоскость пленки

Рис. 23.2. Типичная кривая ППР – зависимость интенсивности отраженного света от проекции волнового вектора на плоскость пленки

Поэтому в самом начале измерение кривых ППР рассматривалось только как очень чувствительный метод изучения оптических свойств и состояния поверхности металлов, оптических свойств металлических пленок, а позже – как один из точнейших методов рефрактометрии, т.е. определения показателя преломления жидкостей и газов. Ведь этим методом удаётся измерять показатель преломления с точностью до 6-го знака после запятой [ [ 66 ] , [ 73 ] , [ 85 ] , [ 143 ] , [ 290 ] ]. Благодаря последнему метод ППР начали использовать и для определения концентрации в жидкостях растворенных веществ, которые несколько изменяют их показатель преломления.

Кривую ППР можно наблюдать в одном из двух режимов.

Если зафиксировать угол падения \theta и облучать металлическую пленку светом широкого спектра, то, разложив этот свет в спектр, мы будем наблюдать ППР, как резонансный минимум в распределении спектральной интенсивности отраженного света. Эти зависимости показаны на рис. 23.3 слева. По горизонтали отложены значения т.н. "волнового числа" k=1/\lambda в см–1, по вертикали – коэффициент отражения в %. Чувствительность обнаружения изменений в этом случае определяется минимальным спектральным сдвигом минимума ППР, который можно зарегистрировать.

Слева – спектральные и справа – угловые кривые ППР

Рис. 23.3. Слева – спектральные и справа – угловые кривые ППР

Если применить монохроматический свет (\lambda = \text{const}), то наблюдается резонансный минимум в угловой зависимости интенсивности отражения ( рис. 23.3, справа). Здесь по горизонтали отложены значения угла отражения в градусах. Чувствительность обнаружения изменений в этом случае определяется уже наименьшим угловым сдвигом минимума ППР, который можно зарегистрировать. В обоих случаях на рис. 23.3 сплошной линией показана кривая ППР при отсутствии, а штриховой – при наличии покрытия на золотой пленке. Минимумы отражения отмечены пунктирными линиями.

23.1.3. Возможность применения ППР для биохимических анализов

В 80-х годах ХХ в. выяснилось, что ППР может стать и чувствительным методом выявления присутствия даже незначительного количества разных биологических примесей. Для этого на внешней поверхности тонкой золотой пленки биохимическими методами высаживают ("иммобилизуют") мономолекулярный слой " лиганда " или " рецептора " ( рис. 23.4). Это слой органических молекул, которые избирательно взаимодействуют с "аналитом" – теми молекулами (частицами), концентрацию которых в растворе мы хотим измерять.

Схема наблюдения сдвига кривой ППР при наличии аналита: 1 – прозрачная среда с высоким показателем преломления; 2 – тонкая металлическая пленка; 3 – чувствительный слой лиганда; 4 – молекулы (частицы) аналита

Рис. 23.4. Схема наблюдения сдвига кривой ППР при наличии аналита: 1 – прозрачная среда с высоким показателем преломления; 2 – тонкая металлическая пленка; 3 – чувствительный слой лиганда; 4 – молекулы (частицы) аналита

Если в качестве "рецептора" используются молекулы или частицы биологического происхождения, то ППР сенсоры часто называют " ППР биосенсорами ", а чувствительный слой – "биорецепторным" слоем. Различают две большие группы биорецепторных слоев: на основе ферментов и на основе антител. В последнем случае ППР сенсоры называют также " ППР иммуносенсорами ".

Когда молекулы (частицы) аналита присоединяются к молекулам лиганда (рецептора), создаваемое последними электрическое поле на поверхности металла несколько изменяется, вследствие чего резонансный минимум ППР смещается. Сдвиг этот тем больше, чем больше молекул (частиц) аналита присоединилось к биочувствительному слою лиганда. А это зависит от концентрации аналита в исследуемом растворе и от кинетики процессов биохимического взаимодействия аналита с лигандом [ [ 63 ] , [ 132 ] ].

Таким образом, измеряя величину сдвига минимума кривой ППР, в принципе стало возможным обнаруживать присутствие и измерять концентрацию в растворах многих важных биохимических веществ и микрочастиц (вирусов, бактерий, антител, ...). А снимая зависимость величины сдвига от времени, можно изучать кинетику их биохимических взаимодействий и ее зависимость от различных факторов. Собственно, сам прецизионный биохимический анализ на молекулярном уровне выполняет в этом случае специфический чувствительный слой лиганда (биорецептора), нанесенного на поверхность металлической пленки, а метод ППР позволяет довольно точно "считывать" результаты этого анализа.

Перед такими чувствительными ППР биосенсорами открылась широкая область применений. Это – и научные исследования в области биохимии, и обнаружение опасных загрязнений, отравляющих и химически вредных примесей в питьевой воде, и контроль концентрации разных ингредиентов в молоке, пиве, вине, других напитках, в бензине и моторных маслах и т.п. Появилась возможность быстрого обнаружения вредных вирусов, бактерий, биохимических веществ в жидкостях, в том числе и в полевых условиях, а также возможность создания многих новых тонких методов научных исследований [ [ 7 ] , [ 54 ] , [ 63 ] , [ 90 ] , [ 105 ] , [ 110 ] , [ 127 ] , [ 312 ] ].

Чувствительностью ППР сенсора называют ту наименьшую концентрацию аналита, которую можно надежно зафиксировать с помощью этого сенсора. Чувствительность зависит от ряда факторов, в частности, от того, какая часть аналита уже связалась с рецепторным слоем. А это зависит от температуры и времени их взаимодействия. Но, пожалуй, определяющую роль играет тот минимальный угол сдвига кривой ППР, который можно надежно зафиксировать с помощью программно-технических средств сенсора.