CZ307174B6 - Způsob měření pomocí MO-SPR senzoru - Google Patents

Abstract

Vynález se týká způsobu provádění měření MO-SPR senzorem pro detekci chemických prvků a analýzu chemických a biologických vzorků, kde MO-SPR senzor mezi vazebním hranolem (101) a detekční oblastí (108) je tvořen vícevrstvou strukturou zahrnující planární strukturu s magneticky indukovanou anizotropií. Vícevrstvá struktura zahrnuje sendvičově uspořádanou první vrstvu (104) a druhou vrstvu (107), mezi nimiž se nachází kombinovaná planární struktura tvořená třetí vrstvou (105), která je osazená polem periodicky rozmístěných feromagnetických útvarů (106) uspořádaných uvnitř třetí vrstvy (105) s osovou orientací feromagnetických útvarů od první vrstvy (104) směrem ke druhé vrstvě (107). MO-SPR senzor se nachází v extrémním magnetickém poli s proměnitelnou transversální a longitudinální konfigurací pro modulování reflexního signálu MO-SPR senzoru pravidelně se opakujícím nosným signálem, jehož kmitočet odpovídá frekvenci přepínání transversální a longitudinálním konfigurace magnetického pole. Výsledkem je možnost aplikace fázového závěsu při vyhodnocování signálu MO-SPR senzoru.

Description

Vynález se týká způsobu měření pomocí MO-SPR senzoru pro detekci chemických prvků a analýzu chemických a biologických vzorků.

Dosavadní stav techniky

Fyzikální jev zvaný „surface plasmon resonance“ je mezi odbornou veřejností, včetně české, označován zkratkou SPR, zkratka MO je odvozena z prvních písmen slov magneto-optická. Tento jev se popisuje jako oscilace volných elektronů ve vybraných kovech (např. Ag, Au, Cu) při splnění tzv. rezonanční podmínky. Stav rezonance se vytváří tehdy, jestliže frekvence dopadajících fotonů odpovídá vlastní frekvenci povrchových elektronů vybraných kovů kmitajících proti přitažlivé síle jader atomů. Při odražení světelného svazku od povrchu, na kterém dochází k SPR, dojde ke změně parametrů světelného svazku, kterou lze detekovat. Hlavní pozorovatelnou změnou je vznik minim signálu v odraženém světelném svazku. Na změnu parametrů světelného svazku mají rovněž vliv zkoumané vzorky, které jsou umístěny v analytické části senzoru. Vzorky modulují index lomu světla analyzovaného prostředí, dále mění hodnoty reflektované energie, ovlivňují fázový posun, atp. Všechny tyto změny, které lze rozpoznat změnou uspořádání reflexních a absorpčních pásem, je možné připsat určitým chemickým prvkům a chemickým sloučeninám, čímž lze stanovit, nebo popřít, jejich přítomnost ve vzorku. Odražený, modulovaný svazek světlaje detekován CCD detektorem a je analyzován výpočetní technikou.

Pod pojmem SPR senzor pro účely tohoto popisu rozumíme zařízení, které slouží k detekci chemických sloučenin a látek o malé koncentraci v měřených vzorcích. Vzorky jsou zpravidla organického původu, např. bílkoviny, a vyhledávají se především modifikanty signalizující např. začínající rakovinu.

SPR senzory pro biologii a medicínu, které se v některých publikacích nazývají jako biočipy, se zpravidla skládají z optického vazebního hranolu, kde první plochou do hranolu světlo vstupuje a druhou stranou světlo vystupuje. Vlastní senzorová část je tvořena nanometrickou strukturou umístěnou na základně hranolu (o tloušťce v řádech jednotek až desítek nanometrů), na které jsou ve formě mikroskopických bodů naneseny vzorky nanometrických rozměrů. Vzorky tvoří pravidelně uspořádané pole obsahující stovky až tisíce bodů, které jsou měřeny a analyzovány po skupinách. Nejčastěji detekovanými chemickými sloučeninami jsou proteiny a antiproteiny.

Snaha o zvýšení citlivosti SPR senzorů vedla dosavadní výzkum ke kombinaci SPR jevu a magneto-optických jevů v rámci magneto-plasmonických (MO-SPR) struktur (J. Guo, Small-angle measurement based on surface-plasmon resonance and the use of magneto-optical modulation, 1999). Toho bylo dosaženo aplikací zlatých nanodisků do SPR senzorů (B. Sepúlveda, PlasmonInduced Magneto-Optical Activity in Nanosized Gold Disks, 2010), dále tvorbou kompozitů obsahujících strukturované nanočástice (M. Abe, Surface plasma resonance and magneto-optical enhancement in composites containing multicore-shell structured nanoparticles, 2004), případně tvorbou periodicky vrstevnatých struktur (X.-X. Liu, Dispersion mechanism of surface magnetoplasmons in periodic layered structures, 2009). Jako perspektivní se v současnosti jeví využití sendvičových struktur, nebo multivrstev, kdy kovová vrstva s plazmonovou vlnou je v kontaktu s vrstvou s magneticky indukovanou anizotropií (J. B. González-Díaz, Plasmonic Au/Co/Au Nanosandwiches with Enhanced Magneto-Optical Activity, 2008, G. Armelles, Localized surface plasmon resonance effects on the magneto-optical activity of continuous Au/Co/Au trilayers, 2008).

Použití nanostruktur pro SPR senzor je prezentováno např. v přihlášce vynálezu EP 2 672 254 (Al). Popisovaný senzor na kovové vrstvě vykazuje alespoň tři regiony, které odlišně ovlivňují parametry odraženého světla. Každý region je tvořen nanostrukturou (např. nanočástice, nanometrické díry, pilíře, prohlubně, atp.). Případně mají SPR senzory multivrstevnatou strukturu, jak je prezentováno v patentovém dokumentu US 7 999 941 (B2). Samotný způsob analýzy vzorků odraženým světlem pomocí SPR je například prezentován v patentovém dokumentu US7355713 (B2).

Nevýhody řešení ve výše uvedených případech spočívají zejména v nízké citlivosti senzorů, tj. v malém rozlišení optické odezvy na změnu indexu lomu analyzovaného prostředí. Další známou nevýhodou je obtížnější vyhodnocení reflexního výstupu u standardních SPR senzorů.

Úkolem vynálezu je vytvoření způsobu měření s vysokou citlivostí pomocí MO-SPR senzoru, který povede k modulaci výstupního signálu vedoucí ke zvýšení jeho čitelnosti rozlišení v šumovém signálovém pozadí.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen vytvořením způsobu měření pro detekci chemických prvků a analýzu chemických a biologických vzorků MO-SPR senzorem podle vynálezu.

Způsob měření pro detekci chemických prvků a analýzu chemických a biologických vzorků je realizován pomocí MO-SPR senzoru zahrnujícího vazební hranol, vazební mezeru, substrát, vícevrstvou strukturu a detekční oblast pro aplikaci měřených vzorků. Vícevrstvá struktura zahrnuje alespoň jednu vrstvu uspořádanou v kontaktu s vrstvou s magneticky indukovanou anizotropií, kde je ve vícevrstvé struktuře sendvičově uspořádaná první vrstva a druhá vrstva, mezi nimiž je uspořádaná vrstva s magneticky indukovanou anizotropií tvořená třetí vrstvou mající tloušťku v rozmezí od 10 nm do 25 nm. Vrstvy vícevrstvé struktury jsou buď zlaté, nebo stříbrné. Vrstva s magneticky indukovanou anizotropií je osazená polem periodicky rozmístěných feromagnetických útvarů uspořádaných uvnitř třetí vrstvy a orientovaných směrem od první vrstvy směrem ke druhé vrstvě. V rámci způsobu se nejprve osadí detekční oblast analyzovanými vzorky, následně se MO-SPR senzor ozařuje světlem s definovanými parametry, při kterém se světlo odráží od kontaktní plochy vazebního hranolu MO-SPR senzoru a prostřednictvím SPR rezonance dochází ke generaci plazmonové vlny, která interaguje s analyzovanými vzorky a současně se odražené světlo elektronicky snímá jako reflexní signál do reflexního záznamu s následným signálovým zpracováním.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že MO-SPR senzor se při provádění způsobu nachází v externím magnetickém poli s proměnitelnou transversální a longitudinální konfigurací, přičemž se reflexní signál moduluje pravidelně se opakujícím nosným signálem, jehož kmitočet odpovídá frekvenci přepínání transversální a longitudinální konfigurace magnetického pole. Následně se modulovaný reflexní signál zpracuje metodou fázového závěsu, která je speciálně určena pro analýzu informačních signálů s amplitudou nižší v porovnání se šumovým signálovým pozadím.

Mezi výhody výše uvedeného způsobu patří výsledná citlivost měření, která je výsledkem jak volby použitých materiálů a jejich prostorového uspořádání, tak především implementace pilotního MO-SPR signálu jako výsledku působení alternujícího vnějšího magnetického pole pro generování indukované anizotropie v magnetooptické vrstvě. Tento přístup následně umožňuje aplikaci metody fázového závěsu při analýze signálu detektoru se všemi výhodami této metody.

Výhody vynálezu spočívají v tom, že způsob měření MO-SPR senzorem umožňuje detekci i velmi malých změn amplitudy výstupního signálu MO-SPR senzoru, které jsou pro současné SPR senzory hluboko v oblasti šumového signálového pozadí. Konfigurace MO-SPR senzoru s externím magnetickým polem s periodicky proměnitelnou transversální a longitudinální konfigurací

-2CZ 307174 B6 vede k vytvoření modulačního nosného signálu, díky kterému lze následně v oblastech vysokého šumového signálového pozadí identifikovat a analyzovat informační reflexní signály s amplitudami nižšími při srovnání s úrovní šumu.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález je blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje pohled na schematicky vyobrazený řez strukturou MO-SPR senzoru, obr. 2 znázorňuje schematicky vyobrazený pohled shora na část pole feromagnetických útvarů, obr. 3 demonstruje magnetooptickou odezvu na změnu indexu lomu analytu.

Příklad uskutečnění vynálezu

Základem SPR senzoru dle obr. 1 je vazební hranol 101, který je vyroben ze skla typu BK7. Vazební mezera 102 v tomto příkladu provedení SPR senzoru má tloušťku 1! 1 pm až 5 pm a je vyplněna imerzní kapalinou o indexu lomu vazebního hranolu 101. Na vazební mezeře 102 spočívá vrstva substrátu 103, který je tvořen opět nosným sklem typu BK7 o tloušťce T? = 1 mm. Na substrátu 103 je nanesena první zlatá vrstva 104 o tloušťce T₃ = 5 nm. Na první zlaté vrstvě 104 je nanesena zlatá třetí vrstva 105 o tloušťce T₄ = 15 nm, která je zcela vyplněna železnými útvary 106 o průměru d = 1750 nm, jak je vyobrazeno na obr. 2. Při fixní vzdálenosti A středů kruhových feromagnetických útvarů 106 se modifikuje jejich průměr d kolem uvedené hodnoty tak, aby výsledný koeficient zaplnění F nepřekročil hodnotu 0,2 při žádném z obou uvažovaných uniformních uspořádání feromagnetických útvarů. Třetí vrstva 105 je překryta druhou zlatou vrstvou 107, jejíž tloušťka je T_ž = 10 nm. Na druhé zlaté vrstvě 107 leží detekční oblast 108 o tloušťce T_é odpovídající charakteru měřených vzorků. Vrstvy 104, 105 a 107 mohou být též stříbrné.

V průběhu měření vzorků SPR senzorem s modulovanou indukovanou anizotropií je vnějším magnetickým polem modulován reflexní signál senzoru. Plazmonová rezonance je generována pouze pro p-polarizovanou dopadající vlnu. Vnější magnetické poleje kontrolované přepínané mezi transverzální a longitudinální konfigurací, čímž se generuje modulace reflexního signálu v oblasti plazmonové rezonance. Výsledkem je generace tzv. trigrovacího signálu, který je tvořen pravidelně se opakujícími píky v detekovaném signálu. Kmitočet trigrovacího signálu odpovídá frekvenci přepínání vnějšího magnetického pole.

Přepínáním dvou základních konfigurací externího magnetického pole je tvořen trigrovací signál pro zpracování výstupního reflexního signálu senzoru známou metodou „lock-in“, neboli metodou fázového závěsu. Metoda lock-in umožňuje analyzovat informační signály, které jsou amplitudově výrazně nižší v porovnání se šumovým signálovým pozadím.

Je-li Δ/ změna faktoru citlivosti odpovídající změně Δ«_ο indexu lomu analytu, pak podíl S = Af/Nn_a vyjadřuje citlivost metody. Objektivním citlivostním ukazatelem je minimální rozlišení Δ«_οπ1ιη ⁼ ΑΧ™, / S, které získáme pro minimální detekovatelnou změnu faktoru Δ/_ηιη. Sledovanou optickou odezvou jsou magnetooptické úhly (rotace, elipticita) při změně indexu lomu analytu. Jako citlivostní faktor je uvažován posun úhlu dopadu φ v maximech, resp. minimech magnetooptických úhlů. Čím vyšší bude přesnost specifikace posuvu extrémů reflektovaného svazku, tím nižší změny indexu lomu měřených vzorků bude senzor schopen zachytit a tedy reagovat i na minimální změny složení měřených vzorků.

Citlivost MO-SPR senzoru se odvíjí od přesnosti určení polohy minima v analyzovaném svazku systému. Současné systémy pracují již téměř v limitní oblasti citlivosti. Ta je dána kvalitou (materiálová, geometrická) nanostrukturovaných částí senzoru, které jsou v interakční oblasti

-3 CZ 307174 B6 s analyzovaným systémem, geometrií oblastí pro generaci plazmonů (ID, 2D, 3D) a rozlišovací mezí použité CCD kamery, jako detektoru reflektovaného světelného svazku. Změny indexu lomu měřených vzorků, jak je uvedeno výše, posouvají minimum, resp. maximum magnetooptických úhlů viz obr. 3. Tzn., že čím vyšší bude přesnost specifikace posuvu extrémů reflektované5 ho svazku, tím nižší změny indexu lomu měřených vzorků bude senzor schopen zachytit, a tedy reagovat i na minimální změny složení měřených vzorků. Myšlenka „trigrovací modulace“ reflektovaného optického svazku pomocí indukované anizotropie a její změny výrazně posouvá kvalitu rozlišení polohy minima tohoto svazku.

Průmyslová využitelnost

Způsob měření pomocí MO-SPR senzoru dle vynálezu nalezne uplatnění v oblasti analýzy materiálů, zejména u biologických vzorků, v materiálovém výzkumu obecně, v testování alkoholů, 15 v environmentálních aplikacích, a dále například v senzorech magnetického pole.

Claims (1)

1. Způsob měření pomocí MO-SPR senzoru pro detekci chemických prvků a analýzu chemických a biologických vzorků zahrnujícího vazební hranol (101), vazební mezeru (102), sub25 strát (103), vícevrstvou strukturu s alespoň jednou vrstvou uspořádanou v kontaktu s vrstvou s magneticky indukovanou anizotropií, a detekční oblast (108) pro aplikaci měřených vzorků, kde vícevrstvá struktura zahrnuje sendvičově uspořádanou první vrstvu (104) a druhou vrstvu (107), mezi nimiž je uspořádaná vrstva s magneticky indukovanou anizotropií tvořená třetí vrstvou (105) mající tloušťku (T₄) v rozmezí od 10 nm do 25 nm, a která je osazená polem periodic30 ky rozmístěných feromagnetických útvarů (106) uspořádaných uvnitř třetí vrstvy (105) a orientovaných směrem od první vrstvy (104) směrem ke druhé vrstvě (107), přičemž jsou vrstvy (104, 105, 107) zlaté, nebo stříbrné, a kde se v rámci způsobu nejprve vloží do detekční oblasti (108) analyzované vzorky, následně se MO-SPR senzor ozařuje světlem s definovanými parametry, při kterém se světlo odráží od kontaktní plochy vazebního hranolu (101) MO-SPR senzoru a pro35 střednictvím SPR rezonance dochází ke generaci plazmonové vlny, která interaguje s analyzovanými vzorky a současně se odražené světlo elektronicky snímá jako reflexní signál do reflexního záznamu s následným signálovým zpracováním, vyznačující se tím, že se MO-SPR senzor při měření nachází v externím magnetickém poli s alternující transversální a longitudinální konfigurací, přičemž se tímto reflexní signál moduluje s pravidelně se opakujícím nosným signá40 lem, jehož kmitočet odpovídá frekvenci přepínání transversální a longitudinální konfigurace magnetického pole, načež se na modulovaný výstupní reflexní signál aplikuje metoda fázového závěsu pro analýzu informačních signálů s amplitudou nižší v porovnání se šumovým signálovým pozadím.