Způsob spektroskopie povrchových plazmonů pro senzory s povrchovými plazmony a senzorový element k provádění tohoto způsobu

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu spektroskopie povrchových plazmonů pro senzory s povrchovými plazmony a senzorového elementu k provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

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 refraktmetry a lze je rovněž využít pro studium biomolekul ajejich 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 plazmony 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) 3740). Způsob vícekanálové detekce pro optické senzory s povrchovými plazmony založený na hranolovém vazebním členu a postupné excitaci povrchových plazmonů popisuje český patent 291728 (J. Čtyroký, J. Dostálek, J. Homola).

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob detekce v senzorech s povrchovými plazmony a spektrálním vyhodnocováním, který se provádí tak, že se elektromagnetické záření nechá dopadat na difrakčCZ 299489 B6 ní 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 ve 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 disperzní element. Toto řešení představuje podstatné zjednodušení konstrukce senzorů s povrchovými plazmony.

Metodu detekce v senzorech s povrchovými plazmony používající senzorový element pro excitaci povrchových plazmonů a úhlové rozkládání spektra vlnových délek lze realizovat následujícím způsobem. Elektromagnetické záření obvykle ve viditelné či infračervené oblasti spektra se šíří prvním prostředím a pod úhlem dopadá skrze druhé prostředí na senzorový element, který je opatřen difrakční mřížkou a kovovou vrstvou. Elektromagnetické záření v úzké oblasti vlnových délek excituje pomocí difrakce na difrakční mřížce povrchové plazmony na rozhraní kovové vrstvy a druhého prostředí. Kromě toho se elektromagnetické záření po dopadu na difrakční mřížku z části odráží a z části difraguje do difragovaného svazku, ve kterém se pod různými úhly šíří záření různých vlnových délek. V difragovaném svazku s rozloženým spektrem vlnových délek dochází ke změně intenzity difragovaného světla v pásmu vlnových délek, která excitují povrchové plazmony. Difragovaný svazek dopadá na vhodný prostorově citlivý detektor, který umožňuje měřit prostorové rozložení intenzity elektromagnetického záření. Excitace povrchových plazmonů na difrakční mřížce se projevuje jako změna v rozložení intenzity elektromagnetického záření detekovaného vhodným prostorově citlivým detektorem.

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

V první konfiguraci elektromagnetické záření simultánně dopadá na více senzorových oblastí s difrakční mřížkou. Tyto senzorové oblasti jsou řazeny paralelně se směrem šíření povrchových plazmonů. Difrakční mřížky v různých senzorových oblastech difragují elektromagnetické záření do prostorově oddělených difragovaných svazků šířících se směrem od povrchu senzorového elementu. Tyto difragované svazky dopadají do různých částí vhodného prostorově citlivého detektoru.

V druhé konfiguraci elektromagnetické záření dopadá na více senzorových oblastí s difrakční mřížkou. Tyto senzorové oblasti jsou řazeny kolmo na směr šíření povrchových plazmonů. Difrakční mřížky v různých senzorových oblastech difragují elektromagnetické záření do difragovaných svazků šířících se směrem od povrchu senzorového elementu. Tyto difragované svazky dopadají do různých oblastí vhodného prostorově citlivého detektoru.

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

Senzorový element je zpravidla opatřen v alespoň jedné oblasti vrstvou obsahující molekuly pro detekci nebo studium interakce chemických či biologických látek přítomných ve druhém prostředí, které je v kontaktu s povrchem senzorového elementu.

Senzorový element umožňující způsob detekce podle vynálezu lze vyrobit tradičními metodami (řezání, broušení, leštění, leptání atd.) ze skel, případně lisováním či litím polymerů. Tenké kovové vrstvy, na kterých jsou povrchové plazmony excitovány (např. zlato, stříbro) a případné překryvové vrstvy lze zhotovit metodami jako jsou vakuové naparování a naprašování. Jako vhodný prostorově citlivý detektor lze například použít dva individuální detektory, lineární pole detektorů nebo dvou-dimensionální pole detektorů CCD, PDA nebo CMOS. Jako zdroj elektromagnetického 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 s difrakční mřížkou pro difraktivní navázání elektromagnetického záření do povrchových plazmonů a rozložení spektra vlnových délek v difragovaném svazku do různých směrů. Obr. 2 znázorňuje provedení vícekanálové detekce používající senzorový element s více senzorovými oblastmi s difrakční mřížkou. Obr. 3 znázorňuje provedení vícekanálové detekce. Obr. 4 znázorňuje provedení vícekanálové detekce používající senzorový element s více senzorovými oblastmi s různě natočenou difrakční mřížkou. Obr. 5 znázorňuje provedení senzorového elementu 1 jako rovinné destičky s polem difrakčních mřížek.

Příklady provedení technického řešení

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 i s difrakční mřížkou 6. Excitace povrchových plazmonů 2 a rozklad spektra difragovaného svazku 8 je realizován různými difrakčními řády mřížky. Kolimované elektromagnetické záření 3 se šíří prvním prostředím 4 a pod úhlem J_0 dopadá skrze druhé prostředí 5 na senzorový element i, který je opatřen difrakční mřížkou 6 a kovovou vrstvou 7. Na rozhraní kovové vrstvy 7 a druhého 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 difrakční mřížku 6 navázáno do prvního difrakčního řádu, který tvoří difragovaný svazek 8. V tomto difragovaném svazku 8 se šíří elektromagnetické záření 3 různých vlnových délek pod různými úhly od povrchu senzorového elementu i. V rozloženém spektru vlnových délek difragovaného svazku 8 dochází ke změně intenzity záření v oblasti vlnových délek, které excitují povrchové plazmony 2. Úhlově rozložené spektrum ajeho změny lze detekovat vhodným prostorově citlivým detektorem 9.

Příklad 2

Obr. 2 znázorňuje provedení metody vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony 2 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 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 difragovaných svazků 8, které se šíří od povrchu senzorového elementu J_ a dopadají do různých oblastí lineárního prostorově citlivého detektoru J_3. 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- Senzorový element i vícekanálového senzoru může být opatřen v alespoň jedné oblasti 12 senzorového elementu vrstvou 15. obsahující vybrané molekuly pro studium molekul ajejich interakcí ěi detekci chemických či biologických látek.

Příklad 3

Obr. 3 znázorňuje provedení metody vícekanálové detekce v senzorech s povrchovými plazmony 2 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 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 3 do prostorově oddělených difragovaných svazků 8, které se šíří od povrchu senzorového elementu 1 a dopadají do různých oblastí dvoudimenzionálního prostorově citlivého detektoru j_4. V difragovaných svazcích 8 se záření různých vlnových délek šíří pod různými úhly od povrchu senzorového elementu 1.

Příklad 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 I s více senzorovými oblastmi 12 s difrakční mřížkou 6. Kolimované elektromagnetické záření 3 simultánně dopadá na více senzorových oblastí 12. Difrakční mřížky 6 v různých senzorových oblastech J_2 jsou různě natočené vůči středu dvou-dimenzionálního prostorově citlivého detektoru 14. Difrakční mřížky 6 v různých senzorových oblastech 12 difragují elektromagnetické záření do prostorově oddělených difragovaných svazků 8, které se šíří od povrchu senzorového elementu 1 a dopadají do různých oblastí dvou-dimenzionálního prostorově citlivého detektoru ]4. V difragovaných svazcích 8 se záření různých vlnových délek šíří pod různými úhly od povrchu senzorového elementu I.

i

Příklad 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).