RU2251681C1 - Способ регистрациии биологических, химических и биохимических процессов на границе жидкость-твердое тело и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области регистрации биологических, химических и биохимических процессов на границе жидкость - твердое тело, т.е. к области биологических, химических и биохимических поверхностных сенсоров, основанных на возбуждении поверхностных электромагнитных волн на поверхности твердого тела. Сущность изобретения заключается в том, что изменение фазы поверхностной (или волноводной) волны измеряют посредством интерференции между сигнальной волной (плазмонной или волноводной), распространяющейся вдоль исследуемой поверхности, и объемной опорной волной, распространяющейся в жидкости непосредственно над поверхностью под малым углом к данной поверхности. То есть при данном способе регистрации обе интерферирующие волны проходят через жидкостную ячейку, одна в виде поверхностной волны (плазмонной или волноводной), а вторая - в виде объемной волны прямо над поверхностью. В результате изменение объемных характеристик жидкости, таких как показатель преломления, воздействует на обе волны - сигнальную поверхностную и объемную опорную, и данное воздействие взаимно компенсируется в регистрируемом интерференционном сигнале. Технический результат заключается в уменьшении чувствительности к объемным свойствам жидкости, при сохранении высокой чувствительности к свойствам поверхностного слоя. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к области регистрации биологических, химических и биохимических процессов на границе жидкость - твердое тело, т.е. к области биологических, химических и биохимических поверхностных сенсоров.

Уровень техники

Известен ряд таких сенсоров, основанных на возбуждении поверхностных электромагнитных волн (так называемых поверхностных плазмонов - ПП) [1] или волноводных электромагнитных волн [2] на поверхности твердого тела. Реакции, происходящие на данной поверхности, или (чаще) на поверхности дополнительного чувствительного слоя, селективно взаимодействующего с определенным компонентом, растворенным в жидкости, регистрируют путем измерения волнового вектора поверхностной (или волноводной) электромагнитной волны, распространяющейся вдоль данной границы раздела жидкость - твердое тело.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ фазовой (интерференционной) регистрации поверхностных плазмонов (ПП) методом гетероденирования [3] или гомоденирования [4]. В обоих этих способах информацию об изменении фазы поверхностных плазмонов (вследствии исследуемых процессов на поверхности) извлекают путем сравнения фазы отраженной сигнальной электромагнитной волны (которая прошла через жидкостную ячейку, где преобразовывалась в поверхностную плазмонную волну по методу Кретчмана) и опорной волны (которая не проходила через жидкостную ячейку). То есть в обоих этих способах регистрируют интерференцию опорной и сигнальной волн, причем только одна из этих волн (сигнальная) взаимодействует с жидкостью в жидкостной ячейке.

Оба этих фазовых способа дают выигрыш в чувствительности на один-два порядка величины в сравнении с традиционными способами [5] регистрации плазмонного резонанса.

Недостатком всех вышеупомянутых способов регистрации поверхностных волн является чувствительность этих способов не только к поверхностным свойствам на границе жидкость - твердое тело, но и к объемным свойствам жидкости, таким как показатель преломления жидкости. А так как показатель преломления жидкости сильно меняется при изменении температуры (для воды изменение температуры на 1° С приводит к изменению показателя преломления на 10^-4) и при изменении состава жидкости, то эта проблема становится основной при повышении чувствительности регистрации поверхностного электромагнитного резонанса.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание такого способа регистрации поверхностных/волноводных волн, который является нечувствительным к показателю преломления жидкости, сохраняя высокую интерференционную чувствительность к показателю преломления поверхностного слоя на границе жидкость - твердое тело и устройство, реализующее данный способ регистрации.

Поставленная задача решается за счет того, что изменение фазы поверхностной (или волноводной) волны измеряют посредством интерференции между сигнальной волной (плазмонной или волноводной), распространяющейся вдоль исследуемой поверхности и объемной опорной волной, распространяющейся в жидкости непосредственно над поверхностью под малым углом к данной поверхности. То есть при данном способе регистрации обе интерферирующие волны проходят через жидкостную ячейку, одна в виде поверхностной волны (плазмонной или волноводной), а вторая - в виде объемной волны прямо над поверхностью. В результате, изменение объемных характеристик жидкости, таких как показатель преломления, воздействует на обе волны - сигнальную поверхностную и объемную опорную, и данное воздействие взаимно компенсируется в регистрируемом интерференционном сигнале. Таким способом обеспечивается требуемый технический результат: чувствительность к объемным свойствам жидкости уменьшается, чувствительность же к свойствам поверхностного слоя остается высокой.

Данную компенсацию можно еще усилить при правильном выборе угла между световыми волнами и стенкой жидкостной ячейки, через которую световые волны проходят прежде чем попасть на прибор, регистрирующий интерференцию световых волн. Так как преломление световых волн на данной стенке также зависит от объемного показателя преломления жидкости, то при определенной геометрии эксперимента часть интерференционной картины будет малочувствительна к изменению объемного показателя преломления, но будет по прежнему чувствительна к изменению показателя преломления приповерхностного слоя.

Мы опишем четыре различных устройства, в которых используется данный способ регистрации, в каждом из которых полезным сигналом является сигнал интерференции между волной, распространяющейся вдоль исследуемой поверхности, и световой волной, распространяющейся в жидкости под малым углом к исследуемой поверхности.

В первом устройстве данный способ регистрации осуществляют путем возбуждения поверхностной плазмонной волны на металлической пленке методом "возбуждения ПП на краю пленки" [6]. В отличие от широкоизвестного Кретчмановского метода возбуждения ПП, в данном варианте на поверхность стеклянной призмы наносят пленку толщиной более 100 нм (при использовании Кретчмановского метода толщина пленки порядка 50 нм), и ПП возбуждают посредством направления лазерного луча на край этой пленки. В результате дифракции на краю пленки возбуждаются ПП, распространяющиеся вдоль пленки, и объемная световая волна, распространяющаяся над пленкой под малым углом к ней. Размеры пленки, поддерживающей распространение поверхностных плазмонов, должны быть порядка нескольких длин пробега ПП (100-200 μ m), и на противоположном краю пленки ПП преобразуются обратно в световую волну. Эта световая волна интерферирует со световой волной, распространявшейся над пленкой. В результате исследуемая поверхность - металлическая пленка - оказывается в одном плече двухлучевого интерферометра, и интерференционная картина, которую регистрируют чувствительным к пространственному распределению интенсивности фотоприемником (таким как диодная линейка, ПЗС-линейка, двухсекционный фотодиод и т.п.), оказывается зависящей от волнового вектора ПП, т.е. от свойств поверхностного слоя на металлической пленке. Причем в данном варианте возможен не только гомодинный метод регистрации статичной интерференционной картины, описанный выше, но и гетеродинный метод регистрации, если в лазерном излучении помимо р-поляризованного света присутствует s-поляризованная компонента со смещенной частотой. Данная s-поляризованная компонента будет присутствовать только в объемной волне, распространяющейся над поверхностью, и не будет присутствовать в ПП, так как ПП могут иметь только р-поляризацию. В результате, помещая поляризатор под определенным углом перед фотоприемником, становится возможным регистрировать сигнал с частотой биений, определяемой разностью частот s- и р-поляризованного света. Фаза данного сигнала будет зависеть от волнового вектора ПП и, следовательно, от свойств поверхностного слоя на металлической пленке.

Во втором предлагаемом устройстве данный способ осуществляют путем возбуждения ПП на металлической пленке, нанесенной не на поверхность призмы (как в первом варианте), а на боковую поверхность зашлифованного оптического волокна. Это упрощает юстировку системы. Все остальные существенные признаки изобретения остаются такими же как в первом варианте:

- возбуждение ПП на краю металлической пленки и преобразование (срыв) ПП обратно в световую волну на противоположном краю пленки,

- интерференция между данной световой волной (испытавшей возбуждение ПП) и волной, распространявшейся в жидкости над пленкой (т.е. обе волны проходят через жидкость),

- возможность как гомодинного, так и гетеродинного способа регистрации получившейся интерференционной картины (в обоих случаях фаза сигнала является полезным сигналом).

Третье предлагаемое устройство аналогично второму, но металлическую пленку наносят не на боковую поверхность, а на торец оптического волокна, зашлифованного под определенным углом.

Четвертым вариантом осуществления изобретения является устройство, при котором как и во втором варианте используется зашлифованное оптическое волокно, но в качестве сигнальной волны используется не плазмонная поверхностная волна, а волноводная мода, распространяющаяся в оптическом волокне (без металлической пленки сверху). Волновой вектор данной моды так же (как и волновой вектор ПП в первых двух вариантах) будет зависеть от показателя преломления поверхностного слоя. Преобразование (срыв) волноводной моды в объемную волну, распространяющуюся над исследуемой поверхностью, может быть осуществлен с помощью двух царапин на оптическом волокне, нанесенных в начале и конце исследуемого участка. Основной существенный признак данного изобретения, позволяющий устранить влияние изменения показателя преломления жидкости на полезный интерференционный в данном варианте осуществления изобретения тот же, что и в предыдущих:

- интерференция волны, распространяющейся вдоль поверхности (в данном варианте это волноводная волна), и световой волны, распространяющейся в жидкости непосредственно над исследуемой поверхностью.

Перечень фигур чертежей

Сущность изобретения и примеры, подтверждающие возможность его осуществления, поясняются ниже с помощью чертежей, на которых схематично изображено:

Фиг.1. - Схематичное изображение способа интерференционной регистрации поверхностной плазмонной волны при возбуждении данной волны на краю металлической пленки.

Фиг.2. - Схематичное изображение способа интерференционной регистрации поверхностной плазмонной волны с дополнительным подавлением нежелательной чувствительности к показателю преломления жидкости путем выбора оптимального угла между световыми волнами и стенкой жидкостной ячейки.

Фиг.3. - Вычисленные значения смещения оптимального интерференционного экстремума при изменении показателя преломления жидкости.

Фиг.4. - Схема экспериментальной установки, на которой получены результаты, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Фиг.5. - Экспериментальные интерферограммы, записанные при двух различных температурах жидкости 22° С и 46° С (46° С интерферограмма сдвинута вниз на 2000 отн.ед.). Видно, что оптимальный интерференционный максимум не смещается при изменении температуры жидкости.

Фиг.6. - Изменения пространственной частоты и фазы интерферограммы во время остывания воды с 46° С до 22° C. Видно, что в процессе остывания фаза интерферограммы не изменяется, а частота уменьшается.

Фиг.7. - Осаждение самостроящегося поверхностного монослоя 2-меркаптоэтанола на золотую поверхность. Изменение показателя преломления жидкости после второй капли данного тиола такое же, как после первой

. Но изменения на границе жидкость - твердое тело (образование монослоя) происходят только после первой капли тиола, и только эти изменения фиксируются как изменения фазы интерферограммы.

Фиг.8. - Схематичное изображение второго варианта осуществления изобретения, при котором зашлифованное оптическое волокно (вместо призмы) используют как подложку для металлической пленки, поддерживающей распространение поверхностных плазмонов.

Фиг.9. - Схематичное изображение третьего варианта осуществления изобретения, при котором зашлифованный торец оптического волокна используют вместо призмы как подложку для металлической пленки, поддерживающей распространение поверхностных плазмонов.

Фиг.10. - Схематичное изображение четвертого варианта осуществления изобретения, при котором зашлифованное оптическое волокно (без металлической пленки) является элементом, чувствительным к осаждению поверхностных слоев.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Прежде всего мы приведем математические обоснования возможности осуществления изобретения. Для большей конкретности эти обоснования приводятся для первого варианта осуществления изобретения, схематичное изображение которого приведено на фиг.1. В этом варианте на стеклянную призму 1 нанесена металлическая пленка 2, поддерживающая распространение ПП (для видимого и ближнего инфракрасного света это, как правило, пленка из серебра и/или золота). Лазерный луч 3 линзой 4 фокусируется на край пленки 2. В результате дифракции на краю пленки 2 часть лазерного излучения преобразуется в поверхностную волну, а часть, после дифракции, распространяется в виде объемной световой волны над пленкой под малым углом к ней. Жидкостная ячейка 5 расположена над призмой и, следовательно, ПП распространяются на границе жидкость - металлическая пленка, а объемная световая волна распространяется в жидкости. На противоположном краю пленки 2 ПП преобразуются из поверхностной в объемную световую волну и две световые волны создают пространственную интерференционную картину 6. Данная картина (интерферограмма) регистрируется приемником 7 (таким как диодная линейка, ПЗС-линейка, двухсекционный фотодиод и т.п.). Изменения волнового вектора ПП (происходящие вследствии изменения состояния поверхности металлической пленки или приповерхностного слоя над ней) приводят к сдвигу интерференционной картины как целого, т.е. к изменению фазы интерферограммы. Так как размер пленки а много меньше, чем расстояние до фотоприемника b

разница оптических путей интерферирующих волн и условия для нахождения интерференционного экстремума есть:

Здесь m - это номер экстремума (целое число для максимума и полуцелое число для минимума), Δ m - общий дополнительный фазовый сдвиг между интерферирующими волнами, появляющийся вследствии возбуждения и срыва ПП на краях пленки, θ - угол наблюдения (угол, указывающий на интерференционный экстремум номер m), λ - длина волны света, и

это "показатель преломления" ПП (surface plasmon - SP в английском). Здесь ε _м - это диэлектрическая восприимчивость металла, а n - показатель преломления жидкости.

В приближении - ε _M>>n² и θ <<1 уравнение (1) имеет форму

Угол максимума дифракции расположен около значения θ _max=π /2-arccos(Z)≈ n/(|ε _M|)^1/2 [7], и, следовательно, может быть сделана следующая оценка:

То есть в рассматриваемом случае ситуация в |ε _M|/n²-раз лучше, чем в обычной Кретчмановской схеме, где температурные и другие флуктуации воздействуют на полный оптический путь an (в нашем случае только разность оптических длин размером в несколько длин волн [(m+Δ m)λ ] подвергаются воздействию флуктуаций).

На фиг.2. указан способ дополнительной компенсации влияния нежелательных флуктуаций показателя преломления жидкости на полезный сигнал путем выбора оптимального угла между световыми волнами и стенкой жидкостной ячейки, на которой эти лучи преломляются прежде, чем попасть на фотоприемник. Как и на предыдущем чертеже здесь 1 - призма, на которую нанесена металлическая пленка 2, поддерживающая распространение ПП; 3 - лазерный луч; 5 - жидкостная ячейка со стенкой, наклоненной под углом φ к нормали. После преломления на этой стенке световые волны создают пространственную интерференционную картину 6, которая регистрируется приемником 7, чувствительным к пространственному распределению интенсивности света.

Математические обоснования для получения этой дополнительной компенсации влияния нежелательных флуктуаций показателя преломления жидкости на полезный сигнал следующие:

Угол θ , который определяет направление на экстремум m может быть выведен из уравнения (1):

(заметим, что этот угол зависит от показателя преломления жидкости n и этот угол уменьшается, когда n возрастает). Но угол после преломления на стенке θ ' (см. фиг.2) связан с θ законом преломления Снеллиуса:

где φ есть угол наклона стенки жидкостной ячейки. Заметим, что согласно (6) угол θ ' увеличивается, когда n возрастает.

Следовательно, существует такой угол φ , при котором флуктуации в n не будут влиять на угол θ '.

Этот угол можно найти, решая уравнение

относительно φ .

Решение есть

При таком угле наклона стенки φ небольшие флуктуации в n не будут изменять направляющий угол θ ' на экстремум с номером m. Но чувствительность к изменениям волнового вектора поверхностной волны k_SP будет по прежнему высокой; поскольку в этом случае только угол θ будет меняться (без одновременного изменения n жидкости).

"Обратная" задача также может быть поставлена и решена. Мы можем зафиксировать угол наклона φ (например, на наиболее удобном значении φ =0 - перпендикулярная стенка) и найти номер экстремума m_opt, который не будет двигаться, когда показатель преломления жидкости n будет изменяться. Приближенное решение есть

Наиболее интересная для эксперимента величина - угол θ _opt, который указывает на этот экстремум m_opt есть

Для ближнего инфракрасного света (λ =1.06 μ m) ε _M=-53, n=1.326 θ _opt≈ 0.315rad=18° . Как правило, интерференционный экстремум m_opt (и угол θ _opt≈ 18° ) вполне достижимы в эксперименте и есть возможность работать с прямой стенкой.

Уравнения, принимающие во внимание конечность размеров b и с более сложны чем (8, 9, 10), но также могут быть выведены (в этом случае φ должен быть>φ _m и т.п.). Вычисленные изменения z-координаты интерференционного максимума с номером m показаны на фиг.3 (в этом примере мы взяли значения m=17, Δ m=+0.5, а=200 μ m, λ =1.06 μ m, ε =-53, φ =0, b=5 mm, с=90 mm). Из этого графика видно, что при изменении показателя преломления жидкости от 1.324 до 1.33, изменения в z-координате экстремума не превышают

В случае, когда преломления на стенке жидкостной ячейки не происходит (например, при b=95 mm, с=0, т.е. когда фотоприемник расположен непосредственно на стенке жидкостной ячейки, как на фиг.1), изменения в z-координате экстремума превышают 100 μ m при тех же самых изменениях в n. Следовательно, дополнительная компенсация влияния нежелательных флуктуаций показателя преломления жидкости на полезный сигнал ~300 в этом случае. Общая величина подавления нежелательных флуктуаций, для приведенных выше значений (т.е. при m=17.5) есть

Общая величина подавления нежелательных флуктуаций увеличивается при меньших изменениях в n, вследствии квадратичной зависимости Н(n) возле предварительно выбранного n (см. фиг.3).

Для более полного понимания изобретения и с целью его иллюстрации ниже приводится пример его экспериментального осуществления. Однако следует понимать, что возможны его различные модификации, очевидные для специалиста в данной области техники, не меняющие существа изобретения и не выходящие за пределы объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Детальная схема эксперимента приведена на фиг.4. На призму из тяжелого флинта 1 осаждалась металлическая пленка 8, внутренняя структура которой показана на врезке вверху. Излучение непрерывного Nd-YAG лазера 3 (λ =1.06 μ m) фокусировалось линзой 4 на левый край пленки 8. Часть лазерного излучения преобразовывалась в поверхностную волну, а часть - в объемную волну, распространяющуюся над поверхностью. Поверхностная волна преобразовывалась обратно в световую волну на 7-nm ступеньке из Cr, после прохождения расстояния а (a=150μ m в этом эксперименте). Интерферограммы 6 регистрировались 512-пиксельной диодной линейкой 7 и передавались для обработки в персональный компьютер. Эксперименты проводились с жидкостной ячейкой 5 с прямой стенкой. Диодная линейка 7 располагалась вблизи оптимального угла θ _opt.

На фиг.5 приведены экспериментальные интерферограммы, записанные при двух температурах жидкости: 22° С и 46° С (для лучшего восприятия мы сдвинули 46° С-интерферограмму вниз на 2000 отн.ед.). Видно, что существует оптимальный экстремум m_opt в центре интерферограммы, который почти не смещается при изменении температуры, в то время как экстремумы справа и слева от него смещаются в противоположных направлениях (при повышении температуры - к центру интерферограммы). Следовательно, при изменениях температуры пространственная частота интерферограммы (т.е. эффективное число экстремумов на диодной линейке) изменяется, а фаза интерферограммы практически не меняется. В эксперименте возможно одновременное вычисление частоты и фазы интерферограммы в режиме реального времени, и на фиг.6. приведены их значения при остывании жидкости в ячейке с 46° С до комнатной температуры. Из представленных экспериментальных результатов ясно видно, что при изменении температуры (и, следовательно, показателя преломления жидкости) фаза интерферограммы не изменяется. При изменении же волнового вектора ПП (вследствии изменения свойств приповерхностного слоя) происходит сдвиг интерферограммы как целого, т.е. изменение фазы интерферограммы. На фиг.7 показано такое изменение при осаждении самостроящегося монослоя 2-меркаптоэтанола (2-mercaptoethanol) на поверхность золотой пленки. 2-меркаптоэтанол - это маленькая тиольная молекула. Ее молекулярная формула C₂H₆OS, молекулярный вес 78.13 и показатель преломления n=1.5.

Данный тиол добавлялся по капле в жидкостную ячейку, содержащую 1mL чистой воды. Одна капля тиола равнялась 0.02mL. Из фазовой кривой, приведенной на фиг.7, видно создание монослоя тиола на поверхности после первой капли тиола, добавленной в момент времени, обозначенный стрелкой 9. Чтобы убедиться, что это изменение не связано с изменением показателя преломления жидкости (одна капля тиола приводит к Δ n≤ 0.0035), была добавлена вторая капля тиола в момент времени, обозначенный стрелкой 10. Вторая капля приводит к такому же изменению показателя преломления жидкости, но не приводит ни к каким поверхностным изменениям (так как монослой тиола на золоте уже был создан после добавления первой капли). Видно, что вторая капля не приводит к сдвигу фазового сигнала.

Следовательно, экспериментально продемонстрировано, что предложенный в изобретении способ регистрации процессов на границе жидкость-твердое тело действительно чувствителен к процессам в приповерхностном слое, и малочувствителен к объемным характеристикам жидкости.

Различные модификации устройства приведены на фиг.8-10.

В устройстве на фиг.8 оптическое волокно 11 вклеено в блок 12. Оболочка волокна зашлифована и на данную зашлифованную боковину нанесена металлическая пленка 8. Оптическое излучение 3 подводится к краю пленки 8 по данному оптическому волокну и после дифракции на краю пленки частично преобразуется в ПП (сигнальная волна), а частично дифрагирует в объемную волну (опорная волна). Обе эти волны прежде чем достичь фотоприемника преломляются на стенке жидкостной ячейки 5. Их интерференционная картина 6 регистрируется фотоприемником 7.

В следующей модификации изобретения, изображенной на фиг.9, зашлифовывается не боковина, а торец волокна 11, вклеенного в блок 12, под углом, оптимальным для возбуждения (оптическим излучением 3) ПП на металлической пленке 8. Как и в других вариантах реализации изобретения интерференционная картина 6 (после преломления на стенке жидкостной ячейки 5), регистрируется фотоприемником 7.

В модификации изобретения представленной на фиг.10 металлическая пленка отсутствует и в качестве сигнальной волны выступает сама волноводная волна, распространяющаяся по волокну 11, вклеенному в блок 12 и зашлифованному со стороны поверхности, граничащей с жидкостной ячейкой 5. Начальная и конечная граница исследуемого участка поверхности задаются царапинами (либо иными дефектами 13 и 14). Оптическое излучение 3, распространяющееся по волокну 11, при дифракции на царапинах 13 и 14 преобразуется в объемные волны, распространяющиеся в жидкости. Интерференционная картина 6 этих двух объемных волн регистрируется фотоприемником 7. Полезным сигналом, как и прежде, является фаза данной интерференции, которая изменяется при изменении волнового вектора волноводной волны при изменении состояния поверхности между царапинами 13 и 14.

Список литературы

1. J.Homola, S.S.Yee, G.Gauglitz, Surface plasmon resonance sensors: review, Sensors and Actuators B, 54 (1999) 3-15.

2. R.Cush, J.M.Cronin, W.J.Steward, C.H.Maule, J.O.Mollo, N.J.Goddard, The resonant mirror - a novel optical biosensor for direct sensing of biomolecular interaction: principle of operation and assosiated instrumentation, Biosens. Bioelectron, 8 (1993) 347-353.

3. S.G.Nelson, K.S.Johnson, S.S. Yee, High sensitivity surface plasmon resonance sensor based on phase detection, Sensors and Actuators B, 35-36 (1996), 187-191.

4. A.V.Kabashin, P.I.Nikitin, Surface plasmon resonance interferometer for bio- and chemical sensors, Optics Communications, 150 (1998), 5-8.

5. В.Leidberg, С.Nylaner, I.Lundstrom, Biosensing with surface plasmon resonance -how it all started, Biosens. Bioelectron, 10 (1995), 1-9.

6. Ю.Е.Петров, Е.В.Алиева, Г.Н.Жижин, В.А.Яковлев, Фазовые измерения поверхностных электромагнитных волн на серебре при возбуждении сквозь подложку, ЖТФ, 68 (1998), 64-68. (Yu.E.Petrov, E.V.Alieva, G.N.Zhizhin, V.A.Yakovlev, Phase measurements of surface electromagnetic waves on silver with excitation through substrate, Technical Physics, 43 (1998), 323-326).

7. V.N.Konopsky, E.V.Alieva, Dispersion relation of surface plasmons near photonic band gaps: influence of the interaction with light, Journal of Modern Optics, 48 (2001), 1597-1615.

Claims (6)

1. Способ оптической регистрации биологических, физических, химических и биохимических процессов на поверхности между жидкостью и твердым телом и в сенсорных слоях, расположенных на данной поверхности, заключающийся в том, что

на данную поверхность со стороны твердого тела направляют оптическое электромагнитное излучение;

данное оптическое электромагнитное излучение разделяют как минимум на две части;

одна часть данного излучения - сигнальная волна - распространяется по исследуемой поверхности в виде поверхностной или волноводной волны и затем преобразуется в объемную оптическую волну;

сигнальную волну смешивают со второй частью данного оптического электромагнитного излучения - с опорной волной - и регистрируют интерференцию этих двух волн с помощью фотоприемника, причем полезным сигналом является фаза интерференционного сигнала,

отличающийся тем, что

данное оптическое электромагнитное излучение разделяют на сигнальную и опорную волну непосредственно на исследуемой поверхности между жидкостью и твердым телом - на начальной границе исследуемого участка поверхности;

данную начальную границу исследуемого участка поверхности задают в виде края пленки, осажденной на исследуемую поверхность, либо царапины или иной неоднородности на исследуемой поверхности;

после разделения, опорная волна распространяется в жидкости, непосредственно над исследуемой поверхностью;

сигнальная волна преобразуется из поверхностной или волноводной волны в объемную оптическую волну на конечной границе исследуемого участка поверхности, причем данную конечную границу задают в виде конечного края пленки, осажденной на исследуемую поверхность, или начального края дополнительной пленки, осажденной на исследуемую поверхность, либо царапины или иной неоднородности на исследуемой поверхности,

данные опорная и сигнальная волны, прежде чем попасть на данный фотоприемник, распространяются часть своего пути в жидкости, а часть в другой среде, имеющей иной показатель преломления, чем показатель преломления жидкости, причем опорная и сигнальная волны испытывают преломление на оптически прозрачной стенке, отделяющей жидкость от другой среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в оптическом электромагнитном излучении, которое направляют на исследуемую поверхность, присутствуют две ортогонально поляризованные s- и р-компоненты, причем смещенные по частоте относительно друг друга, и фотоприемником регистрируют сдвиг фазы биений этих двух волн.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что данное оптическое электромагнитное излучение направляют к исследуемой поверхности по оптическому волокну.

4. Устройство для регистрации биологических, физических, химических и биохимических процессов на поверхности между жидкостью и твердым телом и в сенсорных слоях, расположенных на данной поверхности, содержащее

источник оптического электромагнитного излучения;

блок из прозрачного материала, одна из граней которого граничит с исследуемой жидкостью;

металлическую пленку либо диэлектрический волновод, которые расположены на данной, граничащей с жидкостью, грани данного блока,

фотоприемник,

отличающееся тем, что

данная металлическая пленка либо диэлектрический волновод имеют начальную и конечную границы исследуемого участка поверхности, которые задаются в виде края металлической либо диэлектрической пленки или царапины или иной неоднородности на исследуемой поверхности,

данное излучение направляют через данный прозрачный блок на начальную границу исследуемого участка поверхности;

данный фотоприемник регистрирует излучение, идущее выше плоскости, в которой находится грань данного блока, граничащая с жидкостью, т.е. со стороны жидкости, и данный фотоприемник отделяют от исследуемой жидкости прозрачной стенкой.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что данное оптическое электромагнитное излучение направляют на начальную границу исследуемого участка поверхности по оптическому волокну, которое входит внутрь данного блока и доходит до грани блока, граничащей с исследуемой жидкостью.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что начальную и конечную границы исследуемого участка поверхности задают в виде царапин или иных неоднородностей на зашлифованной боковине данного оптического волокна, и, таким образом, данное оптическое волокно само является диэлектрическим волноводом, который граничит с исследуемой жидкостью.

Images