2
ОГЛАВЛЕНИЕ
С'тр.
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Использование поверхностных электромагнитных волн в датчиках для
измерения параметров сред (Литературный обзор) 11
1.1 Поверхностная электромагнитная волна на границе раздела металла и диэлектрика 11
1.2. Оптические датчики с призменным возбуждением ПЭВ 15
1 2.1 Введение Эффект поверхностного плазменного резонанса 15
1.2.2. Схемы датчика с угловым сканированием 18
1.2.3. Схемы со сходящимся/расходящимся световым пучком 19
1.2.4. Поляриметрические и фазовые схемы 20
1.2.5. Схемы спектрального анализа 21
Выводы к Главе 1 23
Глава 2. Разработка и реализация семейства оптических измерительных систем на
основе ІІПР для применения их в биологии 24
2.1. Схема н физический принцип датчиков на основе ППР 24
2.2. Модельная оценка чувствительности ГІГ1Р датчика с чувствительным биологическим слоем, нанесенным на металлическую пленку 32
2.3. Разработанные экспериментальные устройства - прототипы ППР датчиков 38
2.4. Оптимизация обработки ППР контура 40
2.5. Тонкопленочные структуры с резонансным откликом для применения в ППР датчиках 45
2.5.1. Методики изготовления и характеризация образце в 45
2 5.2. Резонансные параметры тонкопленочной структуры 51
Выводы к Главе 2 54
3
Глава 3.
Глава 4.
Новый чувствительный слой для ППР датчиков, основанный на
поглощающих вблизи частоты излучения фотосинтетическнх
мембранных белках 57
3.1. Методы регистрации остаточных количеств пестицидов в питьевой воде и продуктах питания 57
3.2. Схема первичных процессов фотосинтеза 59
3.3. Процесс прерывания гербицидами электронного транспорта в фотосистеме II 61
3.4. Методы регистрации нарушения процесса фотосинтеза под действием гербицидов 61
3.5. Выбор и методики приготовления фотосинтетическнх мембранных препаратов 62
3.6. Спектроскопические исследования суспензии коровых частиц 63
3.7. Методика изготовления и характеризации тонкопленочных структур с монослоями из фоточувствнтсльных мембранных белков 64
3.8. Регистрация резонансного отклика при исследовании воздействия гербицида на ЛБ пленки фотосиитетческих мембранных препаратов 64
Выводы к Главе 3 70
Новые синтетические (химические) интерфейсные сдои для ПНР
измерительных систем 71
4.1. Введение 71
4.2. Новый интерфейсный слой на основе синтетической матрицы пептидной природы 78
4.2.1. Структура пептидного спейсера и его хемосорбция на металлической подложке 78
4.2.2. Иммобилизация различных пептидов и белков с использованием матрицы пептидного спейсера 84
4.2.3. Регенераща интерфейсного слоя и связывание с неспецифическими белками 86
•«
4.3. Сравнительный анализ НИР датчиков со спектральным и угловым сканированием для исследования взаимодействия примесей в воде с синтетическими полимерными рецепторами 88
4.3.1. Интерфейсные слои для НИР датчиков на основе полимерных рецепторов для регистрации фенолов и их производных 88
4 3.2 Спектральный ППР датчик для исследования синтетических
рецепторов 90
4.3.3. Экспериментальная часть 91
Выводы к Главе 4 98
Глава 5. Визуализация фазы отраженного излучения в условиях ППР и ее
сенсорные применения 100
5.1. Введение 100
5.2. Анализ поведения фазы в условиях подавления отражения 101
5.3. Модельные расчеты 105
5.4. Интерферометрия с использованием ППР для сверхвысокочувстви-тсльных сенсорных схем 113
3.4.1. ППР-интерферометр типа Маха-Цендера 113
5.4.2. ППР-интерферометр для визуализации угловой зависимости
фазы отраженной волны 116
Выводы к Главе 5 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
Список литературы 130
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
Внимание к исследованию и разработке измерительных систем на основе новсрхносіиого плазмон ного резонанса (ППР) не ослабевает, поскольку оно обусловлено все более обостряющейся потребностью в недорогих, компактных, экспрессных и полностью автоматизированных средствах измерения и контроля для нужд науки, промышленности, энергетики, биоинженерии и медицины. Важными достоинствами подобных систем являются качественно более высокий уровень исследования газовых и жидкостных сред, а также исследование химических и биологических параметров при отсутствии агрессивных либо возмущающих воздействий на исследуемый объект. Однако, на сегодняшний день на мировом рынке нет относительно дешевых измерительных систем для решения вышеупомянутых задач. Таким образом, представляется насущной необходимостью дальнейшее развитие новых регистрирующих схем и методик как для фундаментальных исследований химических и биологических явлений, так и для разработки сенсоров. В связи с этим, весьма актуальным представляется проведение теоретического анализа влияния параметров тонкопленочных структур на чувствительность ППР измерительных систем; разработка и применение на основе детальных расчетов новых оптических схехт к реальным биологическим задачам, оптимизация алгоритмов обработки информации; применение новых синтетических химических интерфейсов и чувствительных слоев для тонкопленочных структур ППР измерительных систем для конкретных биологических задач.
Цель диссертационной работы состояла в исследовании эффекта резонансного преобразования лазерного излучения тонкопленочными структурами в поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) для создания химических и биологических измерительных систем. В частности, задачами работы являлись:
- проведение детального теоретического анализа влияния на чувствительность НИР системы параметров ее тонкопленочных структур, содержащих в качестве одного из своих компонентов биологический слой;
6
• разработка методик нанесения тонких пленок, оптимизация химических интерфейсов и чувствительных слоев химических и биологических ППР сенсорных систем;
- изготовление высокочувствительных автоматизированных измерительных систем, основанных на регистрации угловой и спектральной зависимостей интенсивности отраженной световой волны вблизи ППР;
- построение полной физической картины поведения фазы световой волны, отраженной от металлической пленки в условиях ППР, создание интерферомегрических измерительных систем визуализации фазы отраженного излучения и анализ их возможностей для бносенсорных применений.
Поставленные задачи были успешно решены, и на основе проведенных исследований был изготовлен и испытан ряд ППР сенсорных систем.
Научная новизна
1. Развита уникальная методика напыления пленок золота в низкотемперату рной аргоновой плазме для ПНР структур, которые демонстрируют ярко выраженный резонанс, имеют мелкозернистую структуру и хорошую адгезию, выдерживают длительную обработку в агрессивных химических средах, что делает их удобными для последующего нанесения биологических слоев. Предложена оригинальная технология бсзмасленного иммерсионного контакта напыленных подложек с оптической системой новых компактных ППР сенсорных систем.
2. Впервые предложена методика обработки изменения формы резонансного контура для повышения чувствительности ППР датчиков путем учета вариаций как показателя преломления, так и коэффициента поглощения излучения в процессе биохимических реакций.
3. Предложен и реализован ряд новых синтетических химических интерфейсов ППР измерительных систем для исследований кинетики связывания различных белков и пептидов. Продемонстрирована возможность применения синтетической матрицы пептидной природы и синтезированных полимерных (поливиологеновых) рецепторов в качестве химических интерфейсов для ковалентной иммобилизации пептидов и белков новой матрицы.
7
4. Впервые в ППР датчиках использованы монослон фотосинтетических препаратов в качестве чувствительного слоя с сильно меняющейся мнимой частью диэлектрической проницаемости в процессе биологической реакции. Впервые предложен интегральный метод регистрации гербицидов в воде, моделирующих их функциональное действие на растительные объекты на уровне экологических нормативов.
5. Впервые предложен физический принцип датчиков параметров сред на основе особенностей поведения фазы световой волны, отражённой от металлической плёнки в условиях ППР, чувствительность которою на 1-2 порядка выше, чем у традиционных ППР датчиков. Разработаны и реализованы интсрфсромстрическис схемы визуализации фазы отраженною излучения в условиях ППР и проанализированы их возможности для бносснсорных применений.
Практическая значимость работы
Полученные в настоящей работе результаты могут быть использованы в физических, химических и физико-химических исследованиях поверхностей, тонких плёнок и взаимодействий в них, а также для создания оптических сенсорных методик и устройств.
Разработанные принципы и методики представляются весьма перспективными для создания высокочувствительных физических и химических датчиков на основе регистрации изменения фазы световой волны.
Физические эффекты, исследованные в настоящей работе (ряд из которых установлен впервые), следует принимать во внимание при разработке различных типов оптических измерительных и сенсорных методик и устройств.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на IV Международной конференции «Физические проблемы оптических измерений, связи и обработки информации» (Севастополь, Украина, 1993), на VII Международной конференции «Solid Films and Surfaces» (Хситчи, Тайвань, 1994), на III Европейской конференции но оптическим химическим сенсорам и биосенсорам и конференции «EUROPT(R)ODE III» (Цюрих. Швейцария. 1996), на III конференции NEXUSPAN «Микросистемы в мониторинге окружающей среды» (Москва, Россия. 1996). на Международной конференции
8
«Твердотельные датчики» TRANSDUCERS’97 (Чикаго, США, 1997), на V Всемирном конгрессе по биосенсорам (Берлин, 1998), на конференция SPIE «BIOS’98» (Сан-Хосе, США, 1998), на конференции SPIE «Photonics East» (Бостон, США, 1998), на конференции SPIE «BIOS’99», (Бостон. США. 1999), на конференции IWRFRT2000 «Российские технологии для индустрии» (Санкт-Петербург, Россия, 2000).
Публикации
Основное содержание диссертационной работы, полученные в ней новые результаты и положения, выдвигаемые для защиты, изложены в 15 печатных работах. Эти работы, представляющие собой статьи в отечественных и зарубежных журналах, публикации в трудах конференций, приведены в списке литературы под номерами 56-61, 122, 123,151, 177, 179-183.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
В первой главе даСтся обзор основных представлений по физике ПЭВ и на этой основе излагаются принципы применения ПЭВ для характеризации поверхностей и тонких пленок, а также для создания датчиков химических и биологических сред.
Во второй главе с целыо создания высокочувствительных автоматизированных ППР измерительных систем, основанных на призменном возбуждении ПЭВ. были получены аналитические выражения чувствительности и проведен теоретический анализ влияния на нее параметров составляющих тонкопленочных структур. Приведены две методики изготовления тонкопленочных структур для ІІПР датчиков, результаты исследования морфологии пленок и их резонансные характеристики с помощью атомно-силовой микроскопии. Рассматривается новая методика обработки ППР контура, как один то способов повышения чувствительности датчиков. Продемонстрировано, что в результате использования данной методики для поглощающих биологических слоев чувствительность ППР регистрирующей системы возрастает почти на порядок. Обсуждается созданная ПГІР регистрирующая система и ее модификации, основанные на призменном возбуждении ПЭВ. Предел разрешения рассматриваемых ПГ1Р сенсоров оставил ~Ю'6 единиц показателя преломления, что не уступает серийно выпускаемым фирмой B1ACORB приборов.
9
В третьей главе приводятся результаты экспериментальной реализации и исследования разработанного ППР измерительного устройства для регистрации широкого класса гербицидов, моделирующего принцип прерывания фотосинтеза в фотосингегичсских мембранах высших растений.
В четвертой главе рассматривается впервые предложенная новая самоорганизующаяся матрица на основе синтетического спсйссра пептидной природы в качестве молекулярного химического интерфейса для дальнейшей ковалентной иммобилизации пептидов и белков. Полученные результаты демонстрируют целый ряд преимуществ данного интерфейса для белково-белковых и белково-пептидных взаимодействий. Приводятся данные атомно-силовой и сканирующей туннельной микроскопии тонкопленочных структур. Предложена и реализована спектральная ПГІР измерительная система для исследования специально синіезнровашіьгх полимерных рецепторов, чувствительных к фенолам в воде. Кинетика откликов и восстановления указывает на возможности обсуждаемых схем с полнвиологеновым интерфейсом детектировать фенолы в воде на уровне концентрации 0.1 мМ. Проведен сравнительный анализ двух модификаций ППР датчиков со спектральным и угловым сканированием, который показал приблизительно равную чувствительность обеих схем. Однако, спектральная ППР система позволяет более удобно использовать чувствительные слои с сильно меняющимися диэлектрическими свойствами на отдельных учасіках спектра в ходе реакций Кроме того, спектральная схема с монохроматическим источником, сканируемым по спектру, особенно перспективна для многоканальных схем регистрации биологических реакций на единой стеклянной подложке в широком динамическом диапазоне.
В пятой главе обсуждается физическая картина поведения фазы световой волны, отраженной от металлической пленки в условиях ППР. Для общего случая подавления отражения от произвольной оптической системы (в частности, для р-поляризованной волны в условиях ППР) из первых принципов установлено наличие скачков фазы отражённой волны. Результаты теории и расчётов подтверждены интерферомег-рическнми экспериментами, в том числе, впервые предложенной методикой визуализации угловых зависимостей фазы. Разработаны и реализованы интерферо-
10
метрические схемы визуализации фазы отраженного излучения в условиях ППР и проанализированы их возможности для биосснсорных применений. Указанные ПНР-интерфсромстрическис методики успешно применены в рефрактометрии (оцененный порог чувствительности по показателю преломления 4 10'8) и регистрации с помощью обратимых аффинных реакций низкомолекулярных соединений (например, пестициды). Достигнуто разрешение по концентрации на уровне 10'* М.
II
Глава 1. Использование поверхностных электромагнитных волн
в датчиках для измерения параметров сред (Литерату рный обзор)
1.1. Поверхностная электромагнитная волна на граннпс раздела металла и диэлектрика.
Феномен аномального распределения интенсивности в спектрах отражательных металлических дифракционных решёток в оптическом диапазоне впервые был описан н работах Вуда в начале XX века [1-3]. Затем объяснение аномалий Вуда дал Релэй. используя матемагический подход к описанию дифракции решеток [4]. Окончательное объяснение аномалии Вуда получили в рамках разработанной Фано (5) теории понсрхностных электромагнитных волн (ПЭВ) на металлических поверхностях, которая, по существу, мало отличается от современных представлений. ПЭВ - это волны, распространяющиеся вдоль поверхности раздела «металл-диэлектрик», поляризованные перпендикулярно этой поверхности раздела и экспоненциально убывающие вглубь металла и диэлектрика на расстоянии порядка длины световой волны. При преобразовании объемной волны падающего излучения в ПЭВ имеет место узкий резонансный минимум интенсивности ПЭВ, определяемый условием согласования волнового вектора ПЭВ и соответствующей компоненты волнового вектора падающего излучения.
Вместе с тем. существование и основные свойства ПЭВ следуют непосредственно из уравнений Максвелла (см., например, |6. 7]). Проанализируем основные свойст ва ПЭВ и получим соотношения, которые будут использованы в дальнейшем для простого и наиболее важного для приложений случая.
Рассмотрим две полубссконечные немагнитные среды 1 и 2 с диэлектрическими проницаемостями (зависящими от частоты электромагнитного поля), соответственно, с | и е2. Пусть (х. 0. г) - плоскость их раздела (Рис. 1.1).
Рис. 1.1. Иллюстрация границы раздела двух сред «металл-диэлектрик».
Дтя немагнитной среды из уравнений Максвелла получаем волновое уравнение для электрического поля Б:
<1Л>
Нас интересуют решения уравнений (1.1), которое соответствуют П1П. то есть, волнам, распространяющимся вдоль поверхности раздела (х, 0, z). с амплитудой, экспоненциально убывающей по мере удаления от неё. Считаем, что ПЭВ распространяются в положительном направлении оси х.
В среде 1 такое решение выражается формулой:
Е = Е(Х, у, /) = Е, (1.2)
в среде 2:
Е = Е(х, у, /) = Е,*"е1"*'*0 (1.3)
где a. fi . к - в обшем случае, комплексные величины (Retz > 0, Rey3 > 0). a Ei и Е2 в стационарном случае не зависят от х, у, г, /. Подставив в (1.1) выражения (1.2) и (1.3)
(1.4)
получаем, соответственно:
,3
с
02=k2-^s2. (1.5)
С
Граничные условия для пар вектора Е можно записать* соответственно:
е,Е1,чгЕ29, Еи=Еи, Е1с=Е2г. (1.6)
- Київ+380960830922