CZ200519A3

CZ200519A3 - Zpusob spektroskopie povrchových plazmonu pro senzory s povrchovými plazmony a element k provádení tohoto zpusobu

Info

Publication number: CZ200519A3
Application number: CZ20050019A
Authority: CZ
Inventors: Homola@Jirí; Telezhnikova@Olga; Dostálek@Jakub
Original assignee: Ústav radiotechniky a elektrotechniky AVCR
Priority date: 2005-01-12
Filing date: 2005-01-12
Publication date: 2006-08-16
Also published as: CZ299489B6; WO2007085913A3; CA2598118C; CN101175989A; US20080144027A1; US7973933B2; WO2007085913A2; JP2008527395A; CA2598118A1; EP1844319A2; JP4999707B2; CN101175989B

Abstract

Zpusob spektroskopie povrchových plazmonu (2) spocívá v tom, ze se elektromagnetické zárení (3) nechá dopadat na difrakcní mrízku (6), na které se difrakcí excitují povrchové plazmony (2) a zároven prostorove rozkládá spektrum vlnové délky elektromagnetického zárení (3) v difragovaném svazku, pricemz se merí zmeny v prostorovém rozlození intenzityelektromagnetického zárení vyvolané excitací povrchových plazmonu (2). Zpusob se s výhodou provádí paralelne na alespon dvou difrakcních mrízkách (6)nebo v alespon dvou oblastech jedné difrakcní mrízky (6) s vyuzitím rozdílných svazku ci cástí svazku dopadajícího elektromagnetického zárení. Elektromagnetické zárení (3) vyzaruje z alespon dvou zdroju emitujících monochromatické elektromagnetické zárení nebo ze zdroje polychromatického zárení. Detekce difragovaného zárení se zpravidla provádí pomocí alespon dvou individuálních detektoru (9), lineárního pole detektoru, nebo dvou-dimensionálníhopole detektoru. Senzorový element (1) vícekanálového senzoru s povrchovými plazmony (2) vyvinutý k provádení zpusobu podle vynálezu je opatren alespon jednou difrakcní mrízkou (6), která je kompletnenebo cástecne pokrytá kovovou vrstvou (7) pro excitaci povrchových plazmonu (2). Pro úcely studia molekul a jejich interakcí ci detekci chemických cibiologických látek je senzorový element (1) vícekanálového senzoru opatren v alespon jedné oblasti vrstvou obsahující vybrané molekuly.

Description

Senzory patří mezi moderní prostředky pro měření fyzikálních, chemických a biologických veličin. Moderní senzory využívají rozličných metod - elektrických, optických, mechanických apod. Jednou z optických metod užívaných v senzorech je metoda optické excitace povrchových plazmonů. Povrchové plazmony jsou elektromagnetické vlny, které lze za určitých okolností vybudit například na rozhraní mezi kovem a dielektrikem (H. Raether: Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Springer-Verlag, Berlin, 1988). Protože elektromagnetické pole povrchového plazmonů je soustředěno při rozhraní v dielektrickém prostředí, jsou povrchové plazmony velmi citlivé ke změnám optických parametrů v tomto prostředí. V optických senzorech jsou povrchové plazmony buzeny elektromagnetickým zářením ve viditelné nebo infračervené oblasti spektra. Podmínka rezonanční vazby mezi elektromagnetickým zářením a povrchovými plazmony závisí na indexu lomu dielektrika. Proto lze změny indexu lomu dielektrika určit pomocí monitorování parametrů interakce mezi optickou vlnou a povrchovými plazmony. Senzory s povrchovými plazmony mohou sloužit jako citlivé refraktometry a lze je rovněž využít pro studium biomolekul a jejich interakcí a detekci chemických a biologických látek. Pro tento účel se senzory s povrchovými plazmony kombinují s látkami, které interagují specificky s vybranou látkou (např. protilátky, enzymy, DNA). Interakce mezi látkou upevněnou na povrchu senzoru a sledovanou látkou ve vzorku vede k lokálnímu zvýšení indexu lomu v blízkosti povrchu senzoru, které je detekováno pomocí opticky excitovaných povrchových plazmonů.

V současnosti existuje v senzorech s povrchovými plazmony řada konfigurací, ve kterých je optická excitace povrchových plazmonů realizována. Tyto konfigurace využívají hranolových (Sensors and Actuators, 4 (1983) 299 - 304; Electronics Letters, 23 (1988) 1469 - 1470) a mřížkových (Sensors and Actuators B, 8 (1992) 155 - 160) vazebních elementů či vláknových (Sensors and Actuators B, 12 (1993) 213 - 220; Analytical Chemistry, 66 (1994) 963 - 970) a integrovaně-optických (Sensors and Actuators B, 22 (1994) 75 - 81) vlnovodných struktur. V současnosti je v senzorech s povrchovými plazmony s mřížkovým vazebním elementem rezonanční vazba mezi optickou vlnou a povrchovými plazmony detekována pomocí měření změn intenzity (Biosensors, 3 (1987/88) 211-225), spektra úhlu dopadu (American Laboratory, 33 (2001) 37-40) nebo spektra vlnové délky odražené optické vlny (Measurements and Science Technology, 6 (1995) 1193-1200). Pro použití senzorů s povrchovými • · • ·

-2plazmony k paralelní detekci více chemických nebo biologických látek nebo jejich interakcí byl realizován vícekanálový SPR senzor s mřížkovým vazebním členem, ve kterém je rezonanční interakce elektromagnetického záření s povrchovými plazmony detekována v úhlovém spektru odražené optické vlny (American Laboratory, 33 (2001) 37-40). Způsob vícekanálové detekce pro optické senzory s povrchovýmy plazmony založený na hranolovém vazebním členu a postupné excitaci povrchových plazmonů popisuje český patent č. 291 728 (J. Ctyroký, J. Dostálek, J. Homola).

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob detekce v senzorech s povrchovými plazmony a spektrálním vyhodnocováním, který se provádí tak, že š_zé' elektromagnetické záření sj\nechá dopadat na difrakční mřížku, jež difrakcí excituje povrchové plazmony a zároveň prostorově rozkládá spektrum difragovaného elektromagnetického záření. Změny v prostorovém rozložení intenzity difragovaného svazku vyvolané excitací povrchových plazmonů se detekují pomocí systému umožňujícího měřit prostorové rozložení intenzity eletromagnetického záření.

Elektromagnetické záření se při provádění způsobu podle vynálezu vyzařuje z alespoň dvou zdrojů emitujících monochromatické elektromagnetické záření nebo ze zdroje polychromatického záření. Svazek elektromagnetického záření dopadá na povrch senzorového elementu s difrakční mřížkou a excituje povrchové plazmony v úzké oblasti vlnových délek. Excitace povrchových plazmonů je provázena změnou intenzity difragovaného elektromagnetického záření v této oblasti vlnových délek. Difragované záření různých vlnových délek se směrem od difrakční mřížky šíří pod různými úhly. Změny v spektrálním rozložení intenzity elektromagnetického záření způsobené excitací povrchových plazmonů se tak převádí ve změny v prostorovém rozložení intenzity elektromagnetického záření, které se následně měří pomocí detekčního systému, který detekuje prostorové rozložení intenzity difragovaného elektromagnetického záření (takový detekční systém je označován jako prostorově citlivý detektor). Měření rozložení intenzity difragovaného elektromagnetického záření umožňuje určit vývoj rezonanční interakce elektromagnetického záření a povrchových plazmonů a tím i odezvu senzoru.

Způsob podle vynálezu je založen na senzorovém elementu, který slouží jako vazební a zároveň jako disperzní člen. Tento senzorový element je opatřen difrakční mřížkou, která umožňuje excitovat povrchové plazmony na povrchu mřížky dopadajícím elektromagnetickým zářením a zároveň úhlově rozkládat spektrum difragovaného svazku elektromagnetického záření. Tato metoda je tak principiálně odlišná od existujících metod senzorů s povrchovými plazmony a spektrálním vyhodnocováním, které používají senzorový element pouze pro excitaci povrchových plazmonů a spektrální analýza elektromagnetického záření je prováděna odděleně pomocí spektrografu, jenž obsahuje samostatný

-3·· ·· • · · · · · • · · • · · · · • · · • · »· ·· disperzní element. Způsob popsaný v tomto patentu představuje podstatné zjednodušení konstrukce senzorů s povrchovými plazmony.

Metodu detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající senzorový element 1 pro excitaci povrchových plazmonů 2 a úhlové rozkládání spektra vlnových délek lze realizovat následujícím způsobem. Elektromagnetické záření 3 obvykle ve viditelné či infračervené oblasti spektra se šíří prostředím 4 a pod úhlem 10 dopadá skrze prostředí 5 na senzorový element I, který je opatřen difrakční mřížkou 6 a vrstvou kovu 7. Elektromagnetické záření 3 v úzké oblasti vlnových délek excituje pomocí difrakce na reliéfní mřížce 6 povrchové plazmony 2 na rozhraní kovu 7 a optického prostředí 5. Kromě toho se elektromagnetické záření 3 po dopadu na reliéfní mřížku 6 z části odráží a z části difraguje do rozbíhavého svazku 8, ve kterém se pod různými úhly šíří záření různých vlnových délek. Ve svazku 8 s rozloženým spektrem vlnových délek dochází ke změně intenzity difragovaného světla v pásmu vlnových délek, která excitují povrchové plazmony 2. Rozbíhavý svazek 8 dopadá na prostorově citlivý detektor 9, který umožňuje měřit prostorové rozložení intenzity elektromagnetického záření. Excitace povrchových plazmonů 2 na difrakční mřížce 6 se projevuje jako změna v rozložení intenzity elektromagnetického záření detekovaného prostorově citlivým detektorem 9.

Výše popsaný způsob detekce využívající senzorový element 1 lze rozšířit pro vícekanálovou detekci z více senzorových oblastí následujícími způsoby, které lze navzájem kombinovat:

V první konfiguraci elektromagnetické záření 3 simultánně dopadá na více senzorových oblastí 12 s reliéfní mřížkou 6. Tyto senzorové oblasti 12 jsou řazeny paralelně se směrem šíření povrchových plazmonů 2. Difrakční mřížky 6 v různých senzorových oblastech 12 difragují elektromagnetické záření do prostorově oddělených rozbíhavých optických svazků 8 šířících se směrem od povrchu senzorového elementu 1. Tyto optické svazky 8 dopadají do různých částí prostorově citlivého detektoru 9.

V druhé konfiguraci elektromagnetické záření 3 dopadá na více senzorových oblastí 12 s reliéfní difrakční mřížkou 6. Tyto senzorové oblasti jsou řazeny kolmo na směr šíření povrchových plazmonů. Difrakční mřížky 6 v různých senzorových oblastech 12 difragují elektromagnetické záření do optických svazků 8 šířících směrem od povrchu senzorového elementu 1. Tyto svazky 8 dopadají do různých oblastí prostorově citlivého detektoru 9.

V třetí konfiguraci elektromagnetické záření 3 dopadá kolmo na více senzorových oblastí 12 s reliéfní difrakční mřížkou 6. V různých senzorových oblastech 12 jsou přitom difrakční mřížky 6 různě natočeny vůči středu prostorově citlivého detektoru 9. Difrakční mřížky 6 v různých senzorových oblastech 12 difragují elektromagnetické záření do optických svazků 8 šířících se směrem od povrchu senzorového elementu 1. Díky různému natočení difrakčních mřížek 6 v různých senzorových oblastech 12 dopadají difragované svazky 8 do různých oblastí prostorově citlivého detektoru 9.

-4Senzorový element 1 je zpravidla opatřen v alespoň jedné oblasti vrstvou 15 obsahující molekuly pro detekci nebo studium interakce chemických či biologických látek přítomných ve vzorku 5, který je v kontaktu s povrchem senzorového elementu 1.

Senzorový element 1 umožňující způsob detekce podle vynálezu lze vyrobit tradičními metodami (řezání, broušení, leštění, leptání atd.) ze skel, případně lisováním či litím polymerů. Tenké kovové vrstvy 7, na kterých jsou povrchové plazmony excitovány (např. zlato, stříbro) a případné překryvové vrstvy lze zhotovit metodami jako jsou vakuové naparování a naprašování. Jako prostorově citlivý detektor lze například použít lineární nebo dvou-dimenzionální detektor CCD, PDA nebo CMOS. Jako zdroj elektromagnetické záření lze použít například světlo emitující diody (LED) nebo žárové lampy nebo výbojky.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresů. Obr. 1. znázorňuje způsob detekce v senzorech s povrchovými plazmony a spektrálním vyhodnocováním, založený na senzorovém elementu i s reliéfní difrakční mřížkou 6 pro difraktivní navázání elektromagnetického záření 3 do povrchových plazmonů 2 a rozložení spektra vlnových délek v difragovaném svazku 8 do různých směrů. Excitace povrchových plazmonů 2 a rozklad spektra difragovaného svazku 8 je realizován různými difrakčními řády mřížky. Obr. 2 znázorňuje provedení vícekanálové detekce podle vynálezu, používající senzorový element I s více senzorovými oblastmi 12 s reliéfní difrakční mřížkou 6. V různých senzorových oblastech 12 se spektrum difragovaného záření rozkládá do prostorově oddělených difragovaných svazků 8 šířících se od povrchu senzorového elementu 1 a dopadajících do různých oblastí lineárního prostorově citlivého detektoru 13. Obr. 3 znázorňuje provedení vícekanálové detekce podle vynálezu, používající senzorový element 1 s více senzorovými oblastmi Γ2 s difrakční mřížkou 6. V různých senzorových oblastech 12 se spektrum vlnových délek rozkládá do prostorově oddělených difragovaných svazků 8 dopadajících na různé oblasti dvou-dimenzionálního prostorově citlivého detektoru 14. Obr. 4 znázorňuje provedení vícekanálové detekce podle vynálezu, používající senzorový element 1 s více senzorovými oblastmi 12 s různě natočenou difrakční mřížkou 6. V různých senzorových oblastech 12 se spektrum vlnových délek rozkládá do prostorově oddělených difragovaných svazků 8 dopadajících do různých oblastí dvou-dimenzionálního prostorově citlivého detektoru 14. Obr. 5 znázorňuje provedení senzorového elementu jako planární destičky 16 s polem difrakčních mřížek 6.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1.

* ·

Obr. 1 znázorňuje provedení metody detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající pro navázání elektromagnetického záření 3 do povrchových plazmonů 2 a úhlový rozklad spektra vlnových délek senzorový element 1 s reliéfní difrakční mřížkou 6. Kolimované elektromagnetické záření 3 se šíří optickým prostředím 4 a pod úhlem 10 dopadá skrze optické prostředí 5 na senzorový element 1, který je opatřen periodickou reliéfní difrakční mřížkou 6 a vrstvou kovu 7. Na rozhraní kovu 7 a optického prostředí 5 elektromagnetické záření 3 druhým difrakčním řádem excituje povrchové plazmony 2 v úzké oblasti vlnových délek. Excitace povrchových plazmonů 2 je provázena absorpcí energie elektromagnetického záření 3 v této oblasti spektra. Elektromagnetické záření 3 je po dopadu na reliéfní mřížku 6 navázáno do prvního difrakčního řádu, který tvoří rozbíhavý svazek 8. V tomto svazku 8 se šíří elektromagnetické záření různých vlnových délek pod různými úhly od povrchu senzorového elementu 1. V rozloženém spektru vlnových délek 8 dochází ke změně intenzity záření v oblasti vlnových délek, které excitují povrchové plazmony 2. Uhlově rozložené spektrum a jeho změny lze detekovat prostorově citlivým detektorem 9.

Příklad 2.

Obr. 2 znázorňuje provedení metody vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající pro navázání elektromagnetického záření 3 do povrchových plazmonů 2 a úhlové rozložení spektra vlnových délek senzorový element 1 s více senzorovými oblastmi 12 s reliéfní difrakční mřížkou 6. Kolimované elektromagnetické záření 3 simultánně dopadá na více senzorových oblastí 12, které jsou řazeny paralelně ke směru šíření povrchových plazmonů 2 excitovaných dopadajícím elektromagnetickým zářením 3. Difrakční mřížky 6 v různých senzorových oblastech 12 vyvažují elektromagnetické záření do prostorově oddělených rozbíhavých optických svazků 8, které se šíří od povrchu senzorového elementu 1 a dopadají do různých oblastí lineárního prostorově citlivého detektoru 13. V difragovaných svazcích 8 se záření různých vlnových délek šíří pod různými úhly od povrchu senzorového elementu 1. Prostorového oddělení difragovaných svazků 8 lze například dosáhnout různou velikostí periody difrakční mřížky 6 v různých senzorových oblastech 12.

Příklad 3.

Obr. 3 znázorňuje provedení metody vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající pro navázání elektromagnetického záření 3 do povrchových plazmonů 2 a úhlové rozložení spektra vlnových délek senzorový element 1 s více senzorovými oblastmi 12 s reliéfní difrakční mřížkou 6. Kolimované elektromagnetické záření 3 simultánně dopadá na více senzorových oblastí 12, které jsou řazeny kolmo ke směru šíření povrchových plazmonů 2 excitovaných dopadajícím elektromagnetickým zářením 3. Difrakční mřížky 6 v různých senzorových oblastech 12 difragují elektromagnetické záření do prostorově oddělených rozbíhavých optických svazků 8, které se šířící od povrchu senzorového elementu 1 a dopadají do různých oblastí dvou-dimenzionálního prostorově citlivého detektoru 14. V difragovaných svazcích 8 se záření různých vlnových délek šíří pod různými ulily od povrchu senzorového elementu 1.

Přiklad 4.

Obr. 4 znázorňuje provedení metody vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající pro navázání elektromagnetického záření 3 do povrchových plazmonů 2 a úhlové rozložení spektra difragovaného záření senzorový element 1 s více senzorovými oblastmi 12 s reliéfní difrakční mřížkou 6. Kolimované elektromagnetické záření 3 simultánně dopadá na více senzorových oblastí 12. Difrakční mřížky 6 v různých senzorových oblastech 12 jsou různě natočené vůči středu dvou-dimenzionálního prostorově citlivého detektoru. Difrakční mřížky 6 v různých senzorových oblastech 12 difragují elektromagnetické záření do prostorově oddělených rozbíhavých optických svazků 8, které se šíří od povrchu senzorového elementu 1 a dopadají do různých oblastí dvoudimenzionálního prostorově citlivého detektoru 14. V difragovaných svazcích 8 se záření různých vlnových délek šíří pod různými úhly od povrchu senzorového elementu I.

Přiklad 5.

Obr. 5 znázorňuje provedení senzorového elementu 1 jako rovinné destičky 16 s polem senzorových oblastí 12. Každá ze senzorových oblastí je opatřena difrakční mřížkou 6 pro navázání elektromagnetického záření 3 do povrchových plazmonů 2 a úhlový rozklad spektra difragovaného záření.

Průmyslová využitelnost

Navrhované řešení může být využito v mnoha oborech, jako je lékařství (stanovení přítomnosti a koncentrací důležitých látek), farmaceutický průmysl (vývoj a kontrola léčiv), potravinářství (kontrola jakosti potravin, detekce škodlivin), ochrana životního prostředí (monitorování znečištění vody a ovzduší), vojenství a ochrana proti terorismu (detekce otravných látek).

Claims

1. Způsob spektroskopie povrchových plazmonů, vyznačující se tím, že se elektromagnetické záření nechá dopadat na difrakční mřížku, na které se difrakcí excitují povrchové plazmony a zároveň prostorově rozkládá spektrum elektromagnetického záření v difragovaném svazku, přičemž se detekují změny v prostorovém rozložení intenzity difragovaného svazku vyvolané excitací povrchových plazmonů.

2. Způsob spektroskopie povrchových plazmonů, podle nároku 1, vyznačil jící se tím, že tento způsob se provádí paralelně na alespoň dvou difrakčních mřížkách nebo v alespoň dvou oblastech jedné difrakční mřížky s využitím rozdílných svazků či částí svazků dopadajícího elektromagnetického záření.

3. Způsob spektroskopie povrchových plazmonů, podle nároku I, vy z n a č uj í c í s e l z m , že se elektromagnetické záření vyzařuje z alespoň dvou zdrojů emitujících monochromatické elektromagnetické záření nebo ze zdroje polychromatického záření.

4. Způsob spektroskopie povrchových plazmonů, podle nároku 1, vy z n a č u j z c í s e l z zzz, že se difragované záření detekuje pomocí alespoň dvou individuálních detektorů, lineárního pole detektorů, nebo dvou-dimensionálního pole detektorů.

5. Senzorový element (1) vícekanálového senzoru s povrchovými plazmony k provádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se lim, že je opatřen difrakční mřížkou nebo více difrakčními mřížkami, jejichž plocha je kompletně nebo částečně pokrytá kovovou vrstvou (7) pro excitaci povrchových plazmonů (2).

6. Senzorový element (1) vícekanálového senzoru podle nároku 5, vyznačil jící se l í zzz, že je opatřen v alespoň jedné oblasti (12) senzorového elementu vrstvou obsahující vybrané molekuly pro studium molekul a jejich interakcí či detekci chemických či biologických látek.