Сенсор на основе поверхностно-плазмонного резонанса Российский патент 2021 года по МПК G01N21/41 

Настоящее изобретение относится к области аналитического приборостроения и может быть использовано при создании биосенсоров и биодетекторов на основе поверхностного плазмонного резонанса и для проведения спектрального анализа малого количества вещества.

Биосенсорика является бурно развивающимся направлением, что обусловлено прежде всего активным использованием различных видов сенсоров, в том числе многоканальных, в медицине. Биосенсоры используются для проведения сложных биохимических анализов в клинических условиях, например, для определения содержания метаболитов, лекарств или гормонов в биологических жидкостях человека, в сферах медицины, экологии и безопасности позволяет своевременно и оперативно выявлять экологические и террористические угрозы, риски заболеваний и лекарственные контрафакты.

Широкое распространение получили оптические биосенсоры, в которых возбуждающее излучение проходит через элемент нарушения полного внутреннего отражения и, отражаясь от его основания, приводит к возникновению эванесцентной волны. Данная волна проникает в тонкую металлическую пленку, нанесенную на основание элемента нарушения полного внутреннего отражения, и возбуждает поверхностный плазмон или плазмонно-поляритонные волны.

Нарушенное полное внутреннее отражение – явление, основанное на проникновении световой волны из оптически более плотной среды на глубину порядка длины волны при полном внутреннем отражении. Нарушение полного внутреннего отражения заключается в том, что коэффициент отражения света от границы раздела двух сред становится меньше единицы вследствие поглощения света в слое, в который проникает волна в отражающую среду (Zhu, S. Frustrated total internal reflection: А demonstration and review / S. Zhu [et al.] // Am. J. Phys. - 1986. - V. 54. - N. 7. - Р. 601-607; Kambiz, R. Investigation and application of the frustrated-total-internal-reflection phenomenon in optical fibers / R. Kambiz [et al.] // Appl. Opt. -1997. - V. 36. - N. 10. - Р. 2183-2187).

Из существующего уровня техники известен сенсор на основе поверхностно-плазмонного резонанса, который включает элемент нарушения полного внутреннего отражения в виде диэлектрической призмы с нанесенным слоем металла на одну из сторон (N. Mehan, V. Gupta, К. Sreenivas, AbhaiMansingh, Surfaceplasmonresonanc ebasedrefractiveindexsensorforliquids, IndianJoumalofPure&AppliedPhysics, Vol. 43, November 2005, pp. 854-858; В.Н. Кручинин, М.В. Кручинина, Я.И. Прудникова, Е.В. Спесивцев, С.В. Рыхлицкий, В.А. Володин, С.В. Шеховцов, С.Е. Пельтек. Использование спектральной эллипсометрии и спектроскопии комбинационного рассеяния света в скрининговой диагностике колоректального рака // Оптика и спектроскопия, 2019, том 127, вып. 1, с. 170-176). Подобные разработки запатентованы: (US 20020182743 A1; Патенты РФ 2500993, 169415, 169687, 2562270, 2697477). Данная призма служит для создания эффекта полного внутреннего отражения падающего на систему лазерного луча.

Недостатками данного технического решения являются большие массогабаритные характеристики устройства.

Известен сенсор на основе поверхностно-плазмонного резонанса, который включает элемент нарушения полного внутреннего отражения в виде полуцилиндрической линзы с отражающим элементом на ее плоскости в виде тонкой металлической пленки (Майер В.В. Полное внутреннее отражение света: учебные исследования. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. С. 160). Подобные разработки запатентованы: (Патенты РФ 2500993, 2694167).

Недостатками данного технического решения являются большие массогабаритные характеристики устройства.

Наиболее близким устройством является устройство спектрометра на основе поверхностного плазмонного резонанса, содержащий элемент нарушения полного внутреннего отражения в виде плоского оптического элемента - дифракционной призмы с микрорельефом с одной стороны и нанесенным слоем металла с другой (Патент РФ 2660764).

Недостатками данного технического решения являются большие массогабаритные характеристики устройства.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание сенсора на основе поверхностно-плазмонного резонанса с элементом, формирующим фотонную струю уменьшенными массогабаритными характеристиками.

Данная задача решается за счет того, что заявленный сенсор на основе поверхностно-плазмонного резонанса, содержащий элемент нарушения полного внутреннего отражения с плоским основанием, на которое нанесен тонкий слой металла, отличается тем, что элемент нарушения полного внутреннего отражения выполнен в виде диэлектрической частицы, формирующей фотонную струю.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является существенное снижение массы устройства по сравнению с прототипом, связанное с заменой традиционного элемента нарушения полного внутреннего отражения, призмы или полуцилиндрической линзы мезоразмерной диэлектрической частицей с плоским основанием, на которое нанесен тонкий слой металла и формирующей фотонную струю.

Из технической литературы известно, что диэлектрические микросферы с диаметром более λ, где λ – длина волны используемого излучения, изготовленные из материала с коэффициентом преломления, находящегося в диапазоне от 1,2 до 1,8, формируют область фокусировки поля вблизи поверхности микросферы (фотонную струю) с поперечными размерами менее дифракционного предела [Frantisek Kundracik, Miroslav Kocifaj, Gorden Videen, and Jozef Klacka. Effect of charged-particle surface excitations on near-field optics // Applied Optics, Vol. 54, Issue 22, pp. 6674-6681 (2015); Hasan, M., & Simpson, J. (2013). Photonic nanojet-enhanced nanometer-scale germanium photodiode. Applied Optics, 52, 5420; Igor Minin, Oleg Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016].

Возможность получения фотонных наноструй была изучена для диэлектрических осесимметричных тел, например, эллиптических наночастиц, цилиндрических и полуцилиндрических наночастиц [Минин И.В., Минин О.В. Квазиоптика: современные тенденции развития - Новосибирск: СГУГиТ, 2015. - 163 с.; T. Jalalia and D. Erni. Highly confined photonic nanojet from elliptical particles // Journal of Modern Optics, Vol. 61, No. 13, 1069-1076 (2014)], многослойных слоисто-неоднородных микросферических частиц с радиальным градиентом коэффициента преломления [Cesar Mendez Ruiz and Jamesina J. Simpson. Detection of embedded ultrasubwavelength-thin dielectric features using elongated photonic nanojets // 2 August 2010 / Vol. 18, No. 16 / OPTICS EXPRESS 16805], а также полусфер [Cheng-Yang Liu. Photonic nanojet shaping of dielectric non-spherical microparticles // Physica E 64 (2014), pp. 23-28], дисков [B. Lukyanchuk, N.I. Zheludev, S.A. Maier, N.J. Halas, P. Nordlander, H. Giessenand T.C. Chong. The Fano resonance in plasmonic nanostructures and metamaterials. Nat. Mater.9, 707-715 (2010); C-Y. Liu and C-C. Li. Photonic nanojet induced modes generated by a chain of dielectric microdisks. Optik 127, 267-273 (2016)], цилиндра-сферы [Jinlong Zhu and Lynford L. Goddard. Spatial control of photonic nanojets // Optics Express, Vol. 24, No. 26, 2016, 30445].

Фотонная струя (область повышенной концентрации энергии) формируется на теневой стороне диэлектрической частицы и имеет осесимметричный вид с протяженностью порядка λ и размерами в поперечном направлении порядка λ/2, где λ – длина волны используемого излучения.

Известно, что в качестве фокусирующих диэлектрических устройств могут использоваться мезоразмерные частицы с различной формой поверхности, не обладающие осевой симметрией (куб, пирамида, усеченная пирамида, правильного шестиугольника и т.д.) с характерными размерами не менее λ, например [Igor Minin, Oleg Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin and O.V. Minin. Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary 3d shape - a new direction of optical information technologies // Vestnik NGU, v. 12, N. 4, 59-70 (2014) http://www.nsu.ru/xmlui/handle/nsu/7717?show=full&locale-attribute=en: V. Pacheco-Pena , M. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin. Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets // OPTICS LETTERS Vol. 40, Iss. 2, 245-248 (2015); I.V. Minin, O.V. Minin, Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review // Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132]. Такие фокусирующие устройства формируют фотонную струю, обеспечивают пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел.

Известны устройства формирования фотонной струи в режиме на «отражение» излучения (Минин И.В., Минин О.В. Устройство для формирования фотонной струи // Патент РФ 155915, Опубликовано: 20.10.2015. Бюл. № 29; I.V. Minin, C.-Y. Liu, Y.-C. Yang, K. Staliunas and O. V. Minin. Experimental observation of flat focusing mirror based on photonic jet effect // Sci Rep (2020) 10:8459; Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Igor S. Nefedov. Photonic jets from Babinet's cuboid structures in the reflection mode // Opt. Lett. 41(4), (2016), рр. 785-787).

Особенностью диэлектрических частичек, формирующих фотонную, является их малый характерный размер, не менее длины волны используемого излучения.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 приведено схематическое изображение устройства сенсора на основе поверхностно-плазмонного резонанса, который включает элемент нарушения полного внутреннего отражения с плоским основанием с нанесенным слоем металла на это основание.

Обозначения: 1 – лазер, 2 – элемент нарушения полного внутреннего отражения с плоским основанием, 3 – активный детектирующий слой (металл), 4 – кювета с исследуемым раствором, 5 – персональный компьютер, 6 – контроллер, 7 – поворотный трехкоординатный столик с концевыми выключателями, 8 – детектор, 9 – фотонная струя.

Работает устройство следующим образом: р-поляризованный пучок Не-Ne-лазера (1) падает на элемент нарушения полного внутреннего отражения с плоским основанием (2), установленного на трехкоординатный поворотный столик (7). На обратную сторону элемента нарушения полного внутреннего отражения с плоским основанием (2) нанесена металлическая пленка (3). Элемент нарушения полного внутреннего отражения с плоским основанием 2 устанавливается на кювету с анализируемым раствором (4). Интенсивность излучения, испытавшего полное внутреннее отражение, измеряется детектором (8). Детектор (8) устанавливается в область формирования фотонной струи (9). Измеренная интенсивность отраженного света нормируется на интенсивность освещающего пучка. Поворотный столик (7) может вращаться по углу, обеспечивая угловое сканирование образца. Прецизионное управление поворотом столика осуществляется с помощью микроконтроллера (6), управляющего шаговым двигателем. Достижение системой крайних положений фиксируется с помощью концевых выключателей, передающих сигнал на микроконтроллер. Специализированное программное обеспечение (ПО) осуществляет несколько функций – управление угловым сканированием через микроконтроллер и сбор потока данных с детектора. Математическая обработка полученных данных также осуществляется с помощью этого ПО. Сенсорный блок состоит из нескольких компонент. Это активный слой, представляющий собой металлическую пленку, нанесенную на плоское основание элемента нарушения полного внутреннего отражения.

В свою очередь, анализируемый раствор находится в кювете, контактирующей с активным слоем. В систему также входит лазер (гелий-неоновый), а также детектор, представляющий собой фотодиод или иной измеритель мощности лазерного излучения. Путем углового сканирования снимается угловая зависимость поверхностно-плазмонного резонанса. Далее, эта зависимость обрабатывается в ПО, в результате будет вычислен показатель преломления исследуемого раствора. В ПО загружена калибровочная зависимость показателя преломления от концентрации исследуемого вещества в растворе. Сопоставляя измеренный показатель преломления с данной зависимостью, определяется искомая концентрация раствора.

Элемент нарушения полного внутреннего отражения с плоским основанием, формирующий фотонную струю, может иметь форму, например, полуцилиндра, усеченной сферы, прямоугольника и т.д.

За счет формирования области с субволновой фокусировкой излучения (фотонной струи) достигается большая концентрация излучения и лучшее пространственное разрешение сенсора, при минимально возможных габаритах элемента нарушения полного внутреннего отражения с плоским основанием.

Тонкий слой металла (отражающий элемент) может быть выполнен, например, в виде пленки из золота, серебра, меди и алюминия толщиной от 10 до 150 нм (Патенты РФ 169415, 2527699).

Использование: для создания биосенсоров и биодетекторов на основе поверхностного плазмонного резонанса и для проведения спектрального анализа малого количества вещества. Сущность изобретения заключается в том, что сенсор на основе поверхностно-плазмонного резонанса содержит элемент нарушения полного внутреннего отражения с плоским основанием, на которое нанесен тонкий слой металла, при этом элемент нарушения полного внутреннего отражения выполнен в виде диэлектрической частицы, формирующей фотонную струю. Технический результат: обеспечение возможности создания сенсора на основе поверхностно-плазмонного резонанса с элементом, формирующим фотонную струю, обладающего уменьшенными массогабаритными характеристиками. 1 ил.

Сенсор на основе поверхностно-плазмонного резонанса, содержащий элемент нарушения полного внутреннего отражения с плоским основанием, на которое нанесен тонкий слой металла, отличающийся тем, что элемент нарушения полного внутреннего отражения выполнен в виде диэлектрической частицы, формирующей фотонную струю.