UA46512A - SURFACE PLASMON RESONANCE DETECTOR - Google Patents

SURFACE PLASMON RESONANCE DETECTOR Download PDF

Info

Publication number
UA46512A
UA46512A UA2001075476A UA200175476A UA46512A UA 46512 A UA46512 A UA 46512A UA 2001075476 A UA2001075476 A UA 2001075476A UA 200175476 A UA200175476 A UA 200175476A UA 46512 A UA46512 A UA 46512A
Authority
UA
Ukraine
Prior art keywords
prism
layer
film
plasmon resonance
gold
Prior art date
Application number
UA2001075476A
Other languages
Russian (ru)
Ukrainian (uk)
Inventor
Степан Андрійович Зиньо
Антон Володимирович Самойлов
Антон Владимирович Самойлов
Олена Ростиславівна Суровцева
Юрій Михайлович Ширшов
Юрий Михайлович Ширшов
Original Assignee
Юрій Михайлович Ширшов
Юрий Михайлович Ширшов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юрій Михайлович Ширшов, Юрий Михайлович Ширшов filed Critical Юрій Михайлович Ширшов
Priority to UA2001075476A priority Critical patent/UA46512A/en
Publication of UA46512A publication Critical patent/UA46512A/en

Links

Abstract

The proposed detector of surface plasmon resonance contains a prism with internal reflection and a sensitive element constructed as a film 45-60 nm in thickness that is applied to the prism surface. The sensitive element film contains a gold layer, and additionally, a silver layer placed between the gold layer and the prism surface.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Технічне рішення, що заявляється, відноситься до області аналітичної техніки для хімічного і біохімічного 2 аналізу і може бути використане для визначення концентрації різних речовин у газоподібному та рідкому середовищах, проведення біохімічних аналізів і імунологічних тестів у клінічній практиці і дослідницьких цілях, у біотехнології, для контролю якості харчових продуктів, сільськогосподарської сировини та питної води, у тому числі з метою визначення рівня змісту шкідливих речовин (пестицидів, гербіцидів, інсектицидів, фунгіцидів, дефоліантів, сивушних олій і т.п.), а також для екологічного моніторингу навколишнього середовища. 70 Відомий біосенсор РСТ(УМУО) 92/05426, Віоіодіса! зепзогв, АргіїЇ 2 1992, 501М21/55, що працює на основі поверхневого плазменного резонансу. Світло в біосенсорі здійснює повне внутрішнє відображення від внутрішньої поверхні прозорого блоку. На поверхню прозорого блоку, який відбиває промінь світла, нанесений шар срібла товщиною 45 - бОнм, що є робочим елементом біосенсора.The claimed technical solution belongs to the field of analytical techniques for chemical and biochemical 2 analysis and can be used to determine the concentration of various substances in gaseous and liquid media, to carry out biochemical analyzes and immunological tests in clinical practice and research purposes, in biotechnology, for control the quality of food products, agricultural raw materials and drinking water, including for the purpose of determining the level of the content of harmful substances (pesticides, herbicides, insecticides, fungicides, defoliants, fescue oils, etc.), as well as for ecological monitoring of the environment. 70 The famous biosensor PCT(UMUO) 92/05426, Vioiodisa! zepzogv, ArgiiYi 2 1992, 501M21/55, which works on the basis of surface plasma resonance. The light in the biosensor performs a complete internal reflection from the inner surface of the transparent block. A layer of silver with a thickness of 45 bOnm is applied to the surface of the transparent block that reflects the light beam, which is the working element of the biosensor.

Біосенсор реєструє зміну показника заломлення шару досліджуваного матеріалу, нанесеного на шар срібла, 79 який є робочим елементом. Це стає можливим при створенні умов виникнення резонансу поверхневих плазмонів при повному внутрішньому відображенні світла. Для цього змінюють кут падіння променя лазера на внутрішню поверхню прозорого блоку.The biosensor registers the change in the refractive index of the layer of the researched material applied to the silver layer 79, which is the working element. This becomes possible by creating the conditions for surface plasmon resonance with full internal reflection of light. For this, the angle of incidence of the laser beam on the inner surface of the transparent block is changed.

Крива поверхневого плазмонного резонансу для срібла як робочого елементу, характеризується малою напівшириною, що дозволяє з високою точністю визначати положення мінімуму резонансної кривої математичними методами.The curve of surface plasmon resonance for silver as a working element is characterized by a small half-width, which makes it possible to determine with high accuracy the position of the minimum of the resonance curve by mathematical methods.

Недоліками використання срібла як робочого елемента біосенсора є те, що на нього істотно впливає зовнішнє середовище і він зберігає свої властивості нетривалий час, а також його недостатня чутливість до зміни показника заломлення світла в досліджуваному матеріалі, нанесеному на шар срібла.The disadvantages of using silver as a working element of a biosensor are that it is significantly affected by the external environment and it retains its properties for a short time, as well as its insufficient sensitivity to changes in the refractive index of light in the researched material applied to the silver layer.

Відомо оптичний сенсор Великобританія (В) 2197068 (8725502), Оріїса! зепзог демісе, Осіорег 30 1987, (501М33/543, що містить детектор поверхневого плазмонного резонансу, робочий елемент якого виконаний у « вигляді призми повного внутрішнього відображення з нанесеною на неї плівкою золота товщиною 45 - бОнм. Ця товщина обрана за критеріями фізичних умов збудження плазмонів у металевих плівках. В оптичному сенсорі використовується поверхневий плазмонний резонанс для виявлення специфічного матеріалу, наприклад антигену, у крові. сKnown optical sensor Great Britain (B) 2197068 (8725502), Oriisa! zepzog demise, Osioreg 30 1987, (501M33/543, containing a surface plasmon resonance detector, the working element of which is made in the form of a prism of total internal reflection with a 45-bOnm thick gold film applied to it. This thickness was chosen according to the criteria of the physical conditions of plasmon excitation in metal films.The optical sensor uses surface plasmon resonance to detect a specific material, such as an antigen, in blood. c

Розбіжний світловий пучок здійснює внутрішнє відображення від поверхні призми, покритою плівкою золотаі -пе реєструється фотодетектором. Діелектричні властивості досліджуваного матеріалу, що примикає до плівки золота, визначають кут відображення, при якому в результаті поверхневого плазмонного резонансу о інтенсивність відбитого світла зменшується. Ге)The divergent light beam performs internal reflection from the surface of a prism covered with a gold film and is registered by a photodetector. The dielectric properties of the studied material adjacent to the gold film determine the reflection angle at which, as a result of surface plasmon resonance, the intensity of the reflected light decreases. Gee)

Золото як робочий елемент детектора поверхневого плазмонного резонансу, забезпечує високу чутливість до зміни діелектричних властивостей досліджуваного матеріалу, що примикає до плівки золота, і має гарну М стабільність.Gold, as the working element of the surface plasmon resonance detector, provides high sensitivity to changes in the dielectric properties of the investigated material adjacent to the gold film, and has good M stability.

Недоліком відомого детектора є відносно велика напівширина резонансної кривої, що зменшує точність визначення мінімуму шляхом математичної обробки. «The disadvantage of the known detector is the relatively large half-width of the resonance curve, which reduces the accuracy of determining the minimum by mathematical processing. "

Таким чином, аналіз приведених перетворювачів поверхневого плазмонного резонансу показує, що робочі З елементи відомих оптичних пристроїв не забезпечують одночасно достатньої чутливості, точності і стабільності с необхідних аналітичній техніці для хімічного і біохімічного аналізу. з» В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача збільшення чутливості і точності детектора поверхневого плазмонного резонансу при збереженні його стабільності.Thus, the analysis of the above converters of surface plasmon resonance shows that the working elements of known optical devices do not simultaneously provide sufficient sensitivity, accuracy and stability of analytical techniques for chemical and biochemical analysis. z" The basis of the claimed invention is the task of increasing the sensitivity and accuracy of the surface plasmon resonance detector while maintaining its stability.

Поставлена задача досягається тим, що детектор плазмонного резонансу містить призму внутрішнього відображення і робочий елемент товщиною 45 - бонм у вигляді нанесених на призму спочатку плівки срібла, а шк потім плівки золота. Відношення товщин плівки срібла до товщини плівки золота при цьому складає 1 - 3: 1. (Ге) Авторами виявлено, що виконання робочого елемента у вигляді двошарової металевої плівки срібло - золото, нанесеної на призму внутрішнього відображення, приводить до зменшення напівширини резонансної о кривої і підвищенню точності визначення її мінімуму. У той же час зберігається висока чутливість до зміни - 70 показника заломлення досліджуваної проби.The task is achieved by the fact that the plasmon resonance detector contains an internal reflection prism and a working element with a thickness of 45 mm in the form of a silver film applied to the prism first, and then a gold film. The ratio of the thickness of the silver film to the thickness of the gold film in this case is 1 - 3: 1. (Ge) The authors found that the implementation of the working element in the form of a two-layer silver - gold metal film applied to the internal reflection prism leads to a decrease in the half-width of the resonant o curve and increasing the accuracy of determining its minimum. At the same time, a high sensitivity to change - 70 of the refractive index of the sample under study is maintained.

Оскільки верхній шар, що контактує з досліджуваною пробою і може піддаватися деструктивному впливу їз виконується з золота, яке є стійким до такого впливу, стабільність детектора зберігається високою. При цьому співвідношення товщин шарів срібла та золота повинно знаходитися у діапазоні 1 - З : 1. Використання шару срібла у двошаровій плівці товщиною менше 5095 від загальної товщини не приводить до суттєвого зменшення напівширини резонансної кривої. Співвідношення товщин срібла та золота З : 1 є граничним, тому що подальше в. зменшення товщини шару золота приводить до того, що плівка стає островковою і припиняє виконувати свої функції.Since the upper layer, which is in contact with the tested sample and can be subjected to destructive influence, is made of gold, which is resistant to such influence, the stability of the detector remains high. At the same time, the ratio of the thicknesses of the silver and gold layers should be in the range of 1 - Z : 1. The use of a silver layer in a two-layer film with a thickness of less than 5095 from the total thickness does not lead to a significant decrease in the half-width of the resonance curve. The ratio of the thicknesses of silver and gold Z : 1 is limiting, because further in. decreasing the thickness of the gold layer leads to the fact that the film becomes island and ceases to perform its functions.

На фіг.1 показана блок-схема пристрою, що містить детектор, який заявляється, де 1 - джерело р-поляризованного світла, 2 - призма з двошаровою металевою плівкою, З - блок керування поворотом призми, 4 60. блок подачі рідкої проби, 5 - фоточутливий елемент, 6 - комп'ютерна система.Fig. 1 shows a block diagram of the device containing the detector that is claimed, where 1 is a p-polarized light source, 2 is a prism with a two-layer metal film, C is a prism rotation control unit, 4 60. liquid sample supply unit, 5 - photosensitive element, 6 - computer system.

На фіг.2 представлені резонансні криві отримані на різних робочих елементах оптичного сенсора. Виміри проводилися у водяному середовищі. Крива ( щ) отримана на оптичному сенсорі з використанням плівки золота, (г) - 3 використанням плівки срібла, (о) - з використанням двошарової плівки, де верхнім шаром було 65 срібло. Криві (А, г, ж) відповідають використанню детектора, поверхневого плазменного резонансу, що заявляється. Представлені на фіг.2 резонансні криві свідчать про те, що введення шару срібла між призмою і плівкою золота істотно зменшує напівширину кривої в порівнянні з напівшириною кривої плазмонного резонансу отриманої на золотій плівці. У такий спосіб досягається підвищення точності визначення мінімуму резонансної кривої.Figure 2 shows the resonance curves obtained on different working elements of the optical sensor. Measurements were carried out in an aqueous environment. The curve (sh) was obtained on an optical sensor using a gold film, (d) - 3 using a silver film, (o) - using a two-layer film, where the upper layer was 65 silver. Curves (A, d, g) correspond to the use of the detector, surface plasma resonance, which is claimed. The resonance curves presented in Fig. 2 indicate that the introduction of a layer of silver between the prism and the gold film significantly reduces the half-width of the curve in comparison with the half-width of the plasmon resonance curve obtained on the gold film. In this way, an increase in the accuracy of determining the minimum of the resonance curve is achieved.

На фіг.З показано вплив зміни показника заломлення зовнішнього середовища на кутове положення мінімуму резонансної кривої, отриманої на різних робочих елементах оптичного сенсора. Зміна показника заломлення зовнішнього середовища досягалася послідовним заміщенням розчинів етилового спирту в дистилованій воді з різною концентрацією спирту в розчині. Крива (щ) отримана на оптичному сенсорі з використанням плівки золота, (А) - з використанням двошарової плівки із співвідношенням товщин 1/1, де верхнім шаром є золото, (п) 70 - з використанням двошарової плівки, де верхнім шаром є золото із співвідношенням товщини срібла до золота 2/1. З фіг.3 видно, що відгук приладу на зміну концентрації етилового спирту в дистилованій воді зростає при введенні додаткового шару срібла між призмою і шаром золота. Це свідчить про збільшення чутливості приладу.Fig. 3 shows the influence of the change in the refractive index of the external environment on the angular position of the minimum of the resonance curve obtained on various working elements of the optical sensor. The change in the refractive index of the external environment was achieved by successive substitution of solutions of ethyl alcohol in distilled water with different concentrations of alcohol in the solution. Curve (sh) obtained on an optical sensor using a gold film, (A) - using a two-layer film with a thickness ratio of 1/1, where the upper layer is gold, (n) 70 - using a two-layer film, where the upper layer is gold with the ratio of the thickness of silver to gold is 2/1. It can be seen from Fig.3 that the response of the device to a change in the concentration of ethyl alcohol in distilled water increases with the introduction of an additional layer of silver between the prism and the layer of gold. This indicates an increase in the sensitivity of the device.

Детектор, що заявляється у винаході, є сенсорним приладом, робота якого заснована на використанні явища поверхневого плазмонного резонансу (Поверхностнье поляритоньі. Злектромагнитнье волньї на поверхностях и 75 границах раздела сред. Под редакцией В.М. Аграновича, Д.Л. Миллса, Москва, Наука, 1985, 525б.;The detector claimed in the invention is a sensor device, the operation of which is based on the use of the phenomenon of surface plasmon resonance (Surface polaritony. Electromagnetic waves on surfaces and 75 boundaries of the interface of the medium. Edited by V.M. Agranovich, D.L. Mills, Moscow, Nauka, 1985, 525 p.;

Поверхностнье поляритоньії в полупроводниках и дизлектриках. Н.Л. Дмитрук, В.Г. Литовченко, В.Л.Surface polarization in semiconductors and dielectrics. N.L. Dmytruk, V.G. Lytovchenko, V.L.

Стрижевский, Киев, Наукова думка, 1989, 3756.)Stryzhevsky, Kyiv, Naukova dumka, 1989, 3756.)

В основі роботи приладу лежить вивчення поводження поверхневих плазмонів, що поширюються уздовж зовнішньої поверхні металевої плівки. Поверхневі плазмони збуджуються в тонкому металевому шарі, нанесеному на основу скляної призми в умовах повного внутрішнього відбиття від границі розділу призма-метал, при цьому зовнішня сторона шару металу контактує з досліджуваною пробою. Резонансне зв'язування між фотонами збуджуючого світла й електронною плазмою на зовнішній поверхні металу відбувається в результаті падіння р-поляризованного світла з боку призми і сканування внутрішньої сторони металевої плівки в діапазоні кутів більше критичного поворотом призми. Проявом такого зв'язування є зменшення інтенсивності світла повного внутрішнього відбиття від кута падіння, що фіксується фотодіодом. У такий спосіб формується основна « характеристика приладу - резонансна крива відбиття, параметри якої визначаються діелектричними властивостями середовищ, які граничать. Форма кривої плазмонного резонансу і, зокрема, положення мінімуму, залежать як від показника заломлення призми, оптичних констант і товщини шару, у якому збуджується поверхневий плазмонний резонанс, так і від оптичних параметрів і товщини досліджуваного шару, що контактуєз «С робочим елементом. Вимірюючи зміну резонансних умов виникнення плазмонного ефекту, тобто відслідковуючи - зміну положення мінімуму плазмонного резонансу в часі ми можемо судити про процеси взаємодії, що відбуваються на границі розділу і характеризувати їх кількісно і якісно. ІС о)The basis of the device's operation is the study of the behavior of surface plasmons propagating along the outer surface of a metal film. Surface plasmons are excited in a thin metal layer deposited on the base of a glass prism under conditions of total internal reflection from the prism-metal interface, while the outer side of the metal layer is in contact with the test sample. Resonant coupling between the photons of the excitation light and the electron plasma on the outer surface of the metal occurs as a result of p-polarized light falling from the side of the prism and scanning the inner side of the metal film in the range of angles greater than the critical angle by rotating the prism. A manifestation of such binding is a decrease in the light intensity of total internal reflection from the angle of incidence, which is recorded by the photodiode. In this way, the main characteristic of the device is formed - the resonant reflection curve, the parameters of which are determined by the dielectric properties of the adjacent media. The shape of the plasmon resonance curve and, in particular, the position of the minimum, depend both on the refractive index of the prism, optical constants, and the thickness of the layer in which the surface plasmon resonance is excited, as well as on the optical parameters and thickness of the investigated layer in contact with the working element. By measuring the change in the resonance conditions of the plasmon effect, i.e. by tracking the change in the position of the plasmon resonance minimum over time, we can judge the interaction processes occurring at the interface and characterize them quantitatively and qualitatively. IC o)

Детектор, що заявляється, (фіг.1-2) був виконаний нами з використанням призми повного внутрішнього відображення, що має кут при основі 68", на робочу поверхню якої було напилено послідовно шар срібла і шар ї-о золота з різною товщиною і розташуванням. Напилювання плівок проводилося методом термічного вакуумного «І випару металів на скляну підкладку (використовувалося скло марки ФІ з п - 1,61).The claimed detector (fig. 1-2) was made by us using a prism of total internal reflection, which has an angle at the base of 68", on the working surface of which a layer of silver and a layer of gold with different thickness and location were successively sprayed The deposition of films was carried out by the method of thermal vacuum evaporation of metals on a glass substrate (FI glass with n - 1.61 was used).

Через призму на металеву поверхню падає промінь (фіг.1-1) р-поляризованного лазерного світла (бЗ3Знм).A beam (Fig. 1-1) of p-polarized laser light (bZ3Znm) falls through the prism onto the metal surface.

Сканування зразків у необхідному діапазоні кутів здійснювалося на обертовій платформі за допомогою крокового « двигуна (фіг.1-3)3. Для приведення в контакт робочої сторони металевої плівки з рідкою пробою була передбачена проточна кювета з герметизуючим шаром із силіконової гуми об'ємом 1ТОбул. (Подача проби - с здійснювалася перистальтичним насосом (фіг.1-4). Сигнал, відбитий від металевої поверхні фіксувався ч фотодіодом (фіг.1-5). Аналіз кутового положення і форми резонансної кривої реєструвався керуючою програмою -» (фіг.1-6), що дозволяло одержувати в реальному масштабі часу кінетичну криву чи сенсограму (фіг.3), яка відображувала процеси адсорбції і взаємодії біологічних молекул, що були присутні у досліджуваній рідкій пробі. щ»Scanning of samples in the required range of angles was carried out on a rotating platform using a stepper motor (Fig. 1-3)3. To bring the working side of the metal film into contact with the liquid sample, a flow cuvette with a sealing layer of silicone rubber with a volume of 1 TObul was provided. (The supply of the sample - c was carried out by a peristaltic pump (fig. 1-4). The signal reflected from the metal surface was recorded by a photodiode (fig. 1-5). The analysis of the angular position and shape of the resonance curve was recorded by the control program -" (fig. 1- 6), which made it possible to obtain a kinetic curve or sensogram (Fig. 3) in real time, which reflected the processes of adsorption and interaction of biological molecules that were present in the studied liquid sample.

Claims (1)

Формула винаходуThe formula of the invention (9) Детектор поверхневого плазмонного резонансу, який містить у собі призму внутрішнього відбиття і нанесений шу 50 на поверхню призми робочий елемент товщиною 45-60 нм, що містить у собі плівку золота, який відрізняється тим, що робочий елемент додатково має плівку срібла, розміщену між призмою та плівкою золота, при цьому до) відношення товщини плівки срібла до товщини плівки золота складає 1 -- 3/1.(9) A detector of surface plasmon resonance, which contains an internal reflection prism and a 45-60 nm thick working element applied to the surface of the prism and containing a gold film, which is characterized by the fact that the working element additionally has a silver film placed between the prism and the gold film, while d) the ratio of the thickness of the silver film to the thickness of the gold film is 1 -- 3/1. РR 60 б560 b5
UA2001075476A 2001-07-31 2001-07-31 SURFACE PLASMON RESONANCE DETECTOR UA46512A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UA2001075476A UA46512A (en) 2001-07-31 2001-07-31 SURFACE PLASMON RESONANCE DETECTOR

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
UA2001075476A UA46512A (en) 2001-07-31 2001-07-31 SURFACE PLASMON RESONANCE DETECTOR

Publications (1)

Publication Number Publication Date
UA46512A true UA46512A (en) 2002-05-15

Family

ID=74207900

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
UA2001075476A UA46512A (en) 2001-07-31 2001-07-31 SURFACE PLASMON RESONANCE DETECTOR

Country Status (1)

Country Link
UA (1) UA46512A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5415842A (en) Surface plasmon resonance analytical device
US6480282B1 (en) Capillary surface plasmon resonance sensors and multisensors
KR101029473B1 (en) Surface plasmon resonance sensor using beam profile ellipsometry
JPH06167443A (en) Measuring apparatus utilizing surface plasmon resonance
WO2000007008A1 (en) Detection of pyrogen and other impurities in water
US8932880B2 (en) Method for the direct measure of molecular interactions by detection of light reflected from multilayered functionalized dielectrics
JPH0815133A (en) Analytic element
Arwin et al. A reflectance method for quantification of immunological reactions on surfaces
CN105044029B (en) Sensor and sensor testing system based on guided wave resonance
Han et al. An ellipsometric surface plasmon resonance system for quantitatively determining the normal of a sensor surface and multi-channel measurement
US20190056389A1 (en) System and method for determining the presence or absence of adsorbed biomolecules or biomolecular structures on a surface
Brink et al. Near-infrared surface plasmon resonance in silicon-based sensor: new opportunities in sensitive detection of biomolecules from aqueous solutions by applying microstep for discriminating specific and non-specific binding
Narayanaswamy et al. Surface plasmon resonance biosensors for food safety
JP3873120B2 (en) Thin film thickness measurement method
Kashyap et al. Portable surface plasmon resonance (SPR) measurement device for sensing applications
UA46512A (en) SURFACE PLASMON RESONANCE DETECTOR
CN112840200B (en) High sensitivity biosensor chip, measurement system and measurement method using high extinction coefficient marker and dielectric substrate
Niggemann et al. Intrinsic fiber optical gas sensor based on surface plasmon resonance spectroscopy
Dougherty A compact optoelectronic instrument with a disposable sensor based on surface plasmon resonance
Maslov et al. Development High Sensitivity Sensors Based on Surface Plasmon Resonance Phenomenon
CN1529147A (en) High-sensitivity surface plasma resonance detector with multiple total reflection
CN112881312B (en) Detection device for simultaneously monitoring solution change and sensor solid/liquid interface change
Chan et al. SPR prism sensor using laser line generator
Yang et al. SPR-based antibody-antigen interaction for real time analysis of carbamate pesticide residues
WO1998002730A1 (en) Refractometric analysis with modification of refractive index dispersion