UA63781A

UA63781A - Device for fast analyzing biomolecular medium by using the surface plasmon resonance phenomenon

Info

Publication number: UA63781A
Application number: UA2003065876A
Authority: UA
Inventors: Yurii Mykhailovych Shyrshov; Anton Volodymyrovych Samoilov; Roman Vasyliovych Khrystosenko; Kateryna Viktoriv Kostiukevych; Yurii Valentynovych Ushenin
Original assignee: Anton Volodymyrovych Samoilov
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2004-01-15

Abstract

The proposed device for fast analyzing biomolecular medium by using the surface plasmon resonance phenomenon contains a prism with total internal reflection, a sensitive element designed as a metallic film applied to the prism surface, an illuminator, a unit for rotating the prism relative to the illuminator, two photodetectors for receiving the radiation reflected from the sensitive element, and a unit for comparing the output signals of the photodetectors. The illuminator contains a main and an additional source of polarized monochromatic optical radiation. The main radiation source is arranged so that radiation beam is incident on the sensitive element. The radiation beam from the additional radiation source is incident on the same point as the beam from the main radiation source, but at different incidence angle.

Description

Опис винаходуDescription of the invention

Винахід відноситься до області розробки оптоелектронних твердотільних сенсорних пристроїв для хімічного і 2 біологічного аналізу, заснованого на реєстрації адсорбції або реакції взаємодії молекул у газовому і рідкому середовищах. Розглянуті прилади дозволяють робити швидкий і економічний моніторинг навколишнього середовища, а також експресний аналіз клінічних рідин, складу продуктів харчової, фармацевтичної промисловості і виробничих відходів.The invention relates to the field of development of optoelectronic solid-state sensor devices for chemical and 2 biological analysis, based on the registration of adsorption or reaction of the interaction of molecules in gaseous and liquid media. The considered devices allow quick and economical monitoring of the environment, as well as express analysis of clinical fluids, the composition of food products, pharmaceutical industry and industrial waste.

Відомий сенсор на основі явища поверхневого плазмонного резонансу Опігед Зіа(ез Раїепі: 6.480.282. МПК 70. 01М021/05. Сарійагу зипасе ріавтоп гезопапсе зепзог апа тийізепзоге / СпіпомзКу Т.М., Мее 5.5.; Мометбег 12, 2002. Прилад містить призму повного внутрішнього відбивання з металевою плівкою, джерело р-поляризованого монохроматичного випромінювання, що опромінює металеву плівку з боку призми і приймач відбитого світла. Принцип роботи сенсора полягає у вимірюванні інтенсивності відбитого від металевої плівки монохроматичного світла при зміні кута падіння (резонансна крива поверхневого плазмонного резонансу (ППР)) і 72 дослідженні даної залежності в умовах адсорбції чи взаємодії молекул, що відбуваються на протилежній стороні металевої плівки. У наведеному пристрої вимір кривої відбивання здійснюється з використанням широкого світлового променя, що покриває певний інтервал кутів падіння і сходиться в одній точці на металевій поверхні, при цьому відбиті сигнали експонуються на лінійку фотодіодів. Процес адсорбції біологічних молекул на сенсорну поверхню аналогічний формуванню шару молекул з певним коефіцієнтом заломлення та товщиною.A known sensor based on the phenomenon of surface plasmon resonance. a total internal reflection prism with a metal film, a source of p-polarized monochromatic radiation irradiating the metal film from the side of the prism and a receiver of reflected light. The principle of the sensor is to measure the intensity of monochromatic light reflected from the metal film when the angle of incidence changes (resonance curve of surface plasmon resonance (PPR)) and 72 studies of this dependence under the conditions of adsorption or interaction of molecules occurring on the opposite side of the metal film. In the given device, the measurement of the reflection curve is carried out using a wide light beam that covers a certain interval of incidence angles and converges at one point on the metal surface, while the reflected signals are exposed on the ruler photodiodes The process of adsorption of biological molecules on the sensor surface is similar to the formation of a layer of molecules with a certain refractive index and thickness.

При цьому форма резонансної кривої та положення мінімуму будуть змінюватися.At the same time, the shape of the resonance curve and the position of the minimum will change.

Таким чином, прилад дозволяє з високою швидкістю детектувати процеси адсорбції і взаємодії молекул, що відбуваються на сенсорній поверхні за рахунок визначення положення мінімуму резонансної кривої з плином часу при скануванні лінійки фотоприймачів.Thus, the device allows high-speed detection of the processes of adsorption and interaction of molecules occurring on the sensor surface by determining the position of the minimum of the resonance curve over time when scanning a line of photodetectors.

Головним недоліком описаної сенсорної системи є малий кут сканування, який дозволяє досліджувати шари з 29 коефіцієнтом заломлення в діапазоні 1,33-1,38, що обмежує середовище дослідження. «The main disadvantage of the described sensor system is a small scanning angle, which allows you to study layers with a refractive index in the range of 1.33-1.38, which limits the research environment. "

Істотним недоліком є також складність і висока вартість приладу.A significant disadvantage is also the complexity and high cost of the device.

Найбільш близьким до пристрою, що заявляється, можна вважати прилад для детектування і визначення концентрації біомолекул Патент України: 46018, МПК 001М21/55. Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення / Ширшов Ю.М., Венгер -- 30 Є.Ф. Прохорович А.В., Ушенін Ю.В., Мацас Є.П., Чегель В.І., Самойлов А.В.; Заявл. 22.10.1997; Опубл. с 15.05.2002; Бюл. Мо5. Прилад містить призму з оптично більш щільної речовини, межу поділу з оптично менш щільною речовиною, металеву плівку на зазначеній межі, джерело монохроматичного світла, яке розташоване з - боку більш щільного середовища, блок керування поворотом призми щодо джерела випромінювання і со фоточутливий елемент. 3о Спосіб детектування і визначення концентрації біомолекул і молекулярних комплексів полягає в опроміненні ее, металевої плівки з боку призми в широкому діапазоні кутів падіння, що досягається механічним поворотом призми, реєстрації відбитої інтенсивності для всього набору кутів падіння і математичну обробку даних вимірів по спеціально розробленому алгоритму. При цьому механічна система сканування кута в широкому діапазоні не «Ф накладає обмежень на характер середовища і досліджуваних молекул. З 50 Основним недоліком пристрою є неможливість відстеження в реальному часі досить повільних процесів, с оскільки для визначення мінімуму резонансної ППР кривої необхідно зняти всю криву чи її частину, тому на одне з» сканування звичайно витрачається кілька хвилин.The device for detecting and determining the concentration of biomolecules, Patent of Ukraine: 46018, IPC 001М21/55, can be considered the closest to the claimed device. The method of detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular complexes and the device for its implementation / Yu.M. Shirshov, Wenger -- 30 E.F. A.V. Prokhorovich, Yu.V. Ushenin, E.P. Matsas, V.I. Chegel, A.V. Samoilov; Application 22.10.1997; Publ. from 15.05.2002; Bul. Mo5. The device contains a prism made of an optically denser substance, a separation boundary with an optically less dense substance, a metal film on the specified boundary, a source of monochromatic light located on the side of a denser medium, a unit for controlling the rotation of the prism relative to the radiation source, and a photosensitive element. 3o The method of detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular complexes consists in irradiating ee, a metal film from the side of the prism in a wide range of angles of incidence, which is achieved by mechanical rotation of the prism, recording the reflected intensity for the entire set of angles of incidence and mathematical processing of the measurement data according to a specially developed algorithm. At the same time, the mechanical system of scanning the angle in a wide range does not impose restrictions on the nature of the environment and the studied molecules. With 50 The main disadvantage of the device is the impossibility of real-time tracking of rather slow processes, because to determine the minimum of the resonant PPR curve, it is necessary to remove the entire curve or its part, therefore several minutes are usually spent on one of the scans.

Оскільки процес вимірів автоматизований, обов'язковою умовою функціонування приладу є наявність комп'ютера і програмного забезпечення, що робить прилад досить дорогим і складним у використанні. 45 При роботі з таким приладом необхідно використовувати спеціально підготовлених операторів високої б кваліфікації. со Таким чином, аналіз приведених сенсорних пристроїв, що використовують ефект поверхневого плазмонного резонансу для детектування процесів адсорбції і взаємодії молекул показує, що не існує приладу, у якому б 7 оптимально сполучалися недорога і проста у виготовленні конструкція з високою швидкістю вимірів. о 20 В основу винаходу, що заявляється, поставлена задача підвищення швидкодії проведення аналізу біомолекулярних середовищ, значного спрощення конструкції сенсорного приладу на основі ефектуSince the measurement process is automated, the device must have a computer and software, which makes the device quite expensive and difficult to use. 45 When working with such a device, it is necessary to use specially trained highly qualified operators. Thus, the analysis of the above sensor devices, which use the effect of surface plasmon resonance to detect the processes of adsorption and interaction of molecules, shows that there is no device in which an inexpensive and easy-to-manufacture design with a high speed of measurements is optimally combined. o 20 The basis of the claimed invention is the task of increasing the speed of analysis of biomolecular environments, significantly simplifying the design of a sensor device based on the effect

З поверхневого плазмонного резонансу і значного здешевлення приладу при збереженні його високої чутливості.From surface plasmon resonance and a significant reduction in the cost of the device while maintaining its high sensitivity.

Поставлена задача досягається тим, що в пристрої для аналізу біомолекулярних середовищ, що містить призму повного внутрішнього відображення з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом, освітлювальну систему р-поляризованого монохроматичного світла, розташовану таким чином, щоб в. випромінювання падало на робочий елемент з боку призми, пристрій повороту призми щодо освітлювальної системи і систему детектування світла, відбитого від робочого елемента, освітлювальна система містить два ідентичних джерела світла, розташованих таким чином, щоб їхнє випромінювання падало на робочий елемент в одну точку зі зсувом по куту падіння, а система детектування містить два фоточутливих елемента і пристрій 60 порівняння вихідних сигналів фоточутливих елементів.The set task is achieved by the fact that in the device for the analysis of biomolecular environments, which contains a prism of total internal reflection with a film metal working element applied to its surface, a lighting system of p-polarized monochromatic light, located in such a way that radiation fell on the working element from the side of the prism, a device for turning the prism relative to the lighting system and a system for detecting light reflected from the working element, the lighting system contains two identical light sources located in such a way that their radiation fell on the working element at one point with a shift along angle of incidence, and the detection system contains two photosensitive elements and a device 60 for comparing the output signals of the photosensitive elements.

Основна відмінність пристрою, що заявляється, від прототипу полягає в можливості вибору характеристичного параметра резонансної кривої, який у свою чергу є вихідним параметром сенсорного приладу, відмінного від тих, що традиційно використовуються. У прототипі - це кутове положення мінімуму резонансної кривої. Процедура одержання вихідної характеристики приладу, а саме - залежності зміни кута бо плазменного резонансу з плином часу, складається у вимірі крок за кроком усієї резонансної кривої чи її частини, при цьому на виконання кожного кроку витрачається кілька хвилин.The main difference between the claimed device and the prototype is the ability to select a characteristic parameter of the resonance curve, which in turn is an output parameter of the sensor device, different from those traditionally used. In the prototype, this is the angular position of the minimum of the resonance curve. The procedure for obtaining the initial characteristic of the device, namely, the dependence of the change in the angle of the plasma resonance over time, consists in the step-by-step measurement of the entire resonance curve or its part, while each step takes several minutes.

У пристрої, що заявляється, значно зменшується час на проведення аналізу біохімічних реакцій (підвищення швидкодії), оскільки характеристичним параметром резонансної кривої є величина кута сканування, при якій різниця інтенсивностей відбитих сигналів від двох джерел при наявності різниці в кутах падіння мінімальна.In the claimed device, the time for conducting the analysis of biochemical reactions is significantly reduced (increasing the speed), since the characteristic parameter of the resonance curve is the value of the scanning angle, at which the difference in the intensity of the reflected signals from the two sources in the presence of a difference in the angles of incidence is minimal.

Таким чином, щоб зафіксувати факт протікання біомолекулярної реакції необхідно просто порівняти сигнали двох фоточутливих елементів, що можна зробити протягом декількох секунд.Thus, in order to record the fact that a biomolecular reaction is taking place, it is necessary to simply compare the signals of two photosensitive elements, which can be done within a few seconds.

Пропонований у винаході спосіб одержання вихідної інформації не вимагає операцій, програмно керованих за допомогою комп'ютера. Тому значно спрощується конструкція приладу, зменшуються його габарити і знижується /о вартість.The method of obtaining initial information proposed in the invention does not require operations controlled by software using a computer. Therefore, the design of the device is significantly simplified, its dimensions are reduced and the cost is reduced.

Таким чином, пропонований пристрій забезпечує значне збільшення швидкодії при збереженні його високої чутливості, конструкція приладу спрощується, знижується його вартість, що відкриває можливість створення переносних експрес-лабораторій.Thus, the proposed device provides a significant increase in speed while maintaining its high sensitivity, the design of the device is simplified, its cost is reduced, which opens up the possibility of creating portable express laboratories.

На фіг.1 - приведена блок-схема ППР пристрою, робота якого заснована на дослідженні кутової залежності /5 інтенсивності відбитого від робочого елементу сенсора світла, де 1 -джерело р-поляризованого монохроматичного світла, 2 - призма повного внутрішнього відбивання, З - плівковий металевий робочий елемент (переважно Ай, Ад), у якому відбувається збудження поверхневих плазмонів, 4 - проточна кювета для подачі досліджуваної проби, 5 - фотодіод для реєстрації світла, відбитого від межі поділу призма/металева плівка.Fig. 1 shows the block diagram of the PPR device, the operation of which is based on the study of the angular dependence /5 of the intensity of light reflected from the working element of the sensor, where 1 is a source of p-polarized monochromatic light, 2 is a prism of total internal reflection, C is a film metal a working element (mainly Ai, Ad) in which excitation of surface plasmons occurs, 4 - a flow cuvette for feeding the test sample, 5 - a photodiode for recording light reflected from the prism/metal film separation boundary.

Фіг.2 - демонструє резонансну ППР криву, тобто залежність інтенсивності відбитого світла від кута падіння (1) ії динаміку її зміни при збільшенні товщини адсорбованого шару молекул білку: 2-1нм, 3-5нм, 4-1Онм.Fig. 2 - shows the resonant PPR curve, that is, the dependence of the intensity of reflected light on the angle of incidence (1) and the dynamics of its change when the thickness of the adsorbed layer of protein molecules increases: 2-1 nm, 3-5 nm, 4-1 Ohm.

На фіг.3 - приведена блок-схема пристрою, що заявляється, де 1 - призма повного внутрішнього відбивання, 2 - тонка металева плівка (А - 45нм), З - освітлювальна система, що містить два ідентичних джерела монохроматичного р-поляризованого світла, 4 - детектуюча система, що складається з двох фоточутливих ов елементів (5,6) і пристрій порівняння вихідних сигналів фоточутливих елементів (7).Fig. 3 shows a block diagram of the claimed device, where 1 is a total internal reflection prism, 2 is a thin metal film (A - 45 nm), C is a lighting system containing two identical sources of monochromatic p-polarized light, 4 - a detecting system consisting of two photosensitive elements (5,6) and a device for comparing the output signals of photosensitive elements (7).

На фіг.4 - показані резонансні криві, отримані в результаті опромінення робочого елемента пристрою двома « ідентичними джерелами світла в одній точці зі зсувом по куту падіння (А). Характеристичним параметром кривоїFig. 4 shows resonance curves obtained as a result of irradiation of the working element of the device with two "identical light sources at one point with a shift along the angle of incidence (A). A characteristic parameter of the curve

ППР У пристрої, що заявляється, є величина кута падіння (Б), при якій різниця інтенсивностей двох відбитих сигналів мінімальна. «- зо Представлений винахід зв'язаний з розробкою сенсорного приладу, що використовує явище оптичного збудження поверхневої електромагнітної хвилі (інакше поверхневих плазмонов-ПП) у тонкій металевій плівці со (Поверхностнье поляритоньі. Злектромагнитнье волньі на поверхностях и границах раздела сред / Под ї- редакцией: В.М. Аграновича, Д.Л. Миллса, Москва: Наука, 1985, 525с.; Н.Л. Дмитрук, В.Г. Литовченко, В.Л.PPR In the claimed device, there is a value of the angle of incidence (B) at which the difference in intensities of the two reflected signals is minimal. The presented invention is related to the development of a sensor device that uses the phenomenon of optical excitation of a surface electromagnetic wave (otherwise surface plasmons-PP) in a thin metal film (Surface Polarity. Electromagnetic Waves on Surfaces and Interfaces of Mediums / Edited by : V. M. Agranovich, D. L. Mills, Moscow: Nauka, 1985, 525 p., N. L. Dmytruk, V. G. Lytovchenko, V. L.

Стрижевский, Поверхностнье поляритоньі в полупроводниках и дизлектриках, Киев: Наукова думка, 1989, ме) 375с.), для швидкої ідентифікації молекулярних взаємодій. «оStryzhevsky, Surface polaritons in semiconductors and dielectrics, Kyiv: Naukova dumka, 1989, 375 p.), for quick identification of molecular interactions. "at

Ефект виникає при взаємодії електромагнітного випромінювання видимого діапазону з межею поділу двох середовищ. При цьому, умовою існування ПП є наявність у робочому діапазоні негативної діелектричної проникності в одного з середовищ, що граничать. Оскільки для металів діелектрична проникність, обумовлена плазмою вільних електронів, негативна в широкому спектральному діапазоні, металева плівка (переважно А! чи « 400 79) на діелектричній підкладці є чутливим елементом ППР сенсора. з с Явище ППР полягає в різкому зменшенні інтенсивності світла, відбитого від вищевказаної границі поділу, що спостерігається при специфічній довжині хвилі і специфічному куті падіння. Для того, щоб одержати резонансну ;» ППР криву можна або змінювати довжину хвилі падаючого світла при фіксованому куті падіння, або використовуючи монохроматичне випромінювання змінювати кут падіння. При цьому відомі три способи для збудження ПП з використанням: металізованих дифракційних граток (Н. КаеїШег "Зупасе Роїагіюопв:е", Еав.The effect occurs when electromagnetic radiation of the visible range interacts with the separation boundary of two media. At the same time, the condition for the existence of PP is the presence in the working range of a negative dielectric constant in one of the adjacent media. Since for metals the dielectric permittivity due to the plasma of free electrons is negative in a wide spectral range, the metal film (mainly A! or « 400 79) on the dielectric substrate is a sensitive element of the PPR sensor. The phenomenon of PPR consists in a sharp decrease in the intensity of light reflected from the above-mentioned separation boundary, which is observed at a specific wavelength and a specific angle of incidence. In order to get a resonant ;" The PPR curve can either change the wavelength of incident light at a fixed angle of incidence, or use monochromatic radiation to change the angle of incidence. At the same time, three methods are known for excitation of PP using: metallized diffraction gratings (N. Kaeisheg "Zupase Roiagiyuopv:e", Eav.

Ге» Адгапоміспйя апа Міїїв, Мой Ноїїапа Рибрі. Сотр., Атвіегдат, 1982), металізованої скляної призми (Кречман конфігурація) чи призми в близькому контакті з металізованою скляною підкладкою (Отто конфігурація). Форма о резонансної кривої і положення мінімуму будуть визначатися оптичними характеристиками всієї структури в -І цілому, включаючи середовище, що контактує з металевою плівкою з протилежної сторони.Ge» Adgapomispya apa Miiyiv, Moi Noiiapa Ribri. Sotr., Atviegdat, 1982), a metallized glass prism (Krechman configuration) or a prism in close contact with a metallized glass substrate (Otto configuration). The shape of the resonance curve and the position of the minimum will be determined by the optical characteristics of the entire structure as a whole, including the medium in contact with the metal film from the opposite side.

Таким чином, ППР - це оптоелектронне явище, що використовується для розробки чуттєвих тонкоплівкових со рефрактометрів, яке легко можна застосувати для аналізу біомолекулярних середовищ (І іедрего В., Муїапаег С., як Ї цпазігот І. Віозепзіпуд м/йй зипасе ріазтоп гезопапсе - пом їй аї!Ї віапей // Віозепзогв апа ВіоеїПесігопісв. - 1995. - 10.- Р. і-їх; Затрбріев, .).К. ей аЇ. Оріїса! ехсіайоп ої зипасе ріазтопе: ап іпігодисіопо//Thus, PPR is an optoelectronic phenomenon used for the development of sensitive thin-film refractometers, which can easily be applied to the analysis of biomolecular environments (I iedrego V., Muiapaeg S., as Yi tspazygot I. Viozepzipud m/yy zipase riaztop gezopapse - pom to her ai!І viapey // Viozepzogv apa VioeiiPesigopisv. - 1995. - 10.- R. i-ikh; Zatrbriev, .).K. hey ay Oriyas! eksiayop oyi zipase riaztope: ap ipigodisiopo//

Сопіетр. РПпувз. - 1991. - 32. - Р.173-183; Сотез Р., Апагеи О. Оігесі Кіпейс авззау ої іпіегасіопв Бреїмееп ов 8Зта! рерідез апа ітторбіїйгей апіродіез віпу а вцпасе ріазтоп гезопапсе бБіовепвог // Чошгпа! ої іттипоіодіса! те(подв. - 2002. - 259. - Р.217-230; Тотреїїї 5., Міпиппі М, Мавзсіпі М. А зипасе ріазтопSopietr. RPpuvz. - 1991. - 32. - R.173-183; Sotez R., Apagei O. Oigesi Kipeis avzzau oi ipiegasiopv Breimeep ov 8Zta! reridez apa ittorbiiigei apirodiez vipu a vcspase riaztop gezopapse bBiovepvog // Choshgpa! oh ittypoiodisa! te(subdv. - 2002. - 259. - R.217-230; Totreii 5., Mipippi M, Mavssipi M. A zipase riaztop

Р гезопапсе Біозепзог ог (Ше де(егтіпайоп ої (Ше айпіпйу ої агодве їог писівіс асідз // АпаЇ. Гей - 2002. - 35(4). - Р.599-613.).R gezopapse Biozepsog og (She de(egtipayop oi (She aypipyu oi agodve yog pisivis asidz // ApaY. Gay - 2002. - 35(4). - R.599-613.).

Зокрема, на фіг.1. приведена поширена блок-схема ППР сенсора, робота якого заснована на дослідженні бо кутової залежності інтенсивності відбивання при фіксованій довжині хвилі падаючого випромінювання.In particular, in Fig.1. a common block diagram of the PPR sensor is presented, the work of which is based on the study of the angular dependence of the reflection intensity at a fixed wavelength of the incident radiation.

Поверхневі плазмони збуджуються в тонкому металевому шарі (3), нанесеному на сторону скляної призми (2) в умовах повного внутрішнього відбивання від межі поділу призма-метал, при цьому зовнішня сторона плівки металу контактує з досліджуваною пробою через кювету (4). Резонансне зв'язування між фотонами джерела р-поляризованого монохроматичного світла (1) і електронною плазмою на зовнішній поверхні металу 65 відбувається в результаті падіння світла з боку призми і сканування внутрішньої сторони металевої плівки в діапазоні кутів більше критичного поворотом призми. Проявом такого зв'язування є зменшення інтенсивності відбитого світла при специфічному куті падіння (фіг.2), яке фіксується фотодіодом (5). Таким чином, формується основна характеристика приладу - резонансна крива відбивання, параметри якої визначаються діелектричними властивостями контактуючих середовищ. Форма кривої плазмонного резонансу і, зокрема, положення мінімуму, залежать: від показника заломлення призми, оптичних констант і товщини металевої плівки, у якій збуджується поверхневий плазмонний резонанс, та від оптичних параметрів і товщини шару, що контактує з металевим робочим елементом. Фіксуючи зміну резонансних умов виникнення плазмонного ефекту, тобто досліджуючи зміну положення мінімуму плазмонного резонансу у часі, можна зробити висновки про процеси адсорбції та взаємодії молекул, що відбуваються на розглянутій межі поділу та характеризувати їх кількісно. 7/0 Однак, для визначення мінімуму резонансної ППР кривої необхідно зняти всю криву або її частину, тому на одне сканування звичайно витрачається кілька хвилин. Далі, аналіз кутового положення і форми резонансної кривої реєструється керуючою програмою, що дозволяє одержувати в реальному масштабі часу кінетичну криву (сенсограму), яка свідчить про процеси адсорбції та взаємодії біологічних молекул, присутніх у досліджуваній рідкій пробі. Результати вимірів математично обробляються по спеціально розробленому алгоритму.Surface plasmons are excited in a thin metal layer (3) deposited on the side of a glass prism (2) under conditions of total internal reflection from the prism-metal separation boundary, while the outer side of the metal film is in contact with the test sample through the cuvette (4). Resonant coupling between the photons of the source of p-polarized monochromatic light (1) and the electron plasma on the outer surface of the metal 65 occurs as a result of 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 rotation of the prism. A manifestation of such binding is a decrease in the intensity of reflected light at a specific angle of incidence (Fig. 2), which is recorded by a photodiode (5). Thus, the main characteristic of the device is formed - the resonant reflection curve, the parameters of which are determined by the dielectric properties of the contacting media. The shape of the plasmon resonance curve and, in particular, the position of the minimum, depend on: the refractive index of the prism, the optical constants, and the thickness of the metal film in which the surface plasmon resonance is excited, and on the optical parameters and the thickness of the layer in contact with the metal working element. Fixing the change in resonance conditions for the occurrence of the plasmon effect, i.e. by examining the change in the position of the plasmon resonance minimum over time, it is possible to draw conclusions about the processes of adsorption and interaction of molecules occurring at the considered separation boundary and characterize them quantitatively. 7/0 However, in order to determine the minimum of the resonant PPR curve, it is necessary to remove all or part of the curve, therefore several minutes are usually spent on one scan. Further, the analysis of the angular position and shape of the resonance curve is recorded by the control program, which allows obtaining a kinetic curve (sensogram) in real time, which indicates the processes of adsorption and interaction of biological molecules present in the studied liquid sample. The results of measurements are mathematically processed according to a specially developed algorithm.

Блок-схема пристрою, що заявляється, для експресного аналізу біомолекулярних середовищ на основі ефекту поверхневого плазменного резонансу представлена на фіг.3. Пристрій містить призму повного внутрішнього відбивання (1) з нанесеним на її поверхню металевим плівковим робочим елементом (2).The block diagram of the claimed device for rapid analysis of biomolecular media based on the effect of surface plasma resonance is shown in Fig.3. The device contains a total internal reflection prism (1) with a metal film working element (2) applied to its surface.

Освітлювальна система (3) містить два ідентичних джерела р-поляризованого монохроматичного світла.The lighting system (3) contains two identical sources of p-polarized monochromatic light.

Випромінювання від цих двох джерел попадає на робочий елемент з боку призми в одну точку, але з визначеним 2о зсувом по куті падіння (А). Світло, що відбивається від межі поділу призма-металева плівка, попадає на систему детектування світла (4), що містить два фоточутливих елементи (5-6) і пристрій порівняння вихідних сигналів фоточутливих елементів (7). Повертаючи призму щодо освітлювальної системи, ми змінюємо кут падіння випромінювання на робочий елемент сенсора. А за допомогою двох фоточутливих елементів фіксуємо величину інтенсивності відбитого світла. Отже, ми можемо знімати одночасно дві резонансні криві, параметри ов яких визначаються діелектричними властивостями контактуючих середовищ і, зокрема, залежать рід оптичних параметрів і товщини молекулярного шару, адсорбованого на металевий робочий елемент сенсору. У цьому « випадку у якості характеристичного параметра резонансної кривої, що у свою чергу є вихідним параметром сенсорного пристрою, можна вибрати величину кута падіння (Б), при якій різниця інтенсивностей відбитих сигналів від двох джерел є мінімальною (фіг.4). Таким чином, щоб зафіксувати факт протікання біомолекулярної - п зо реакції на поверхні робочого елементу сенсора, потрібно за допомогою пристрою порівняння вихідних сигналів фоточутливих елементів (7) виміряти різницю інтенсивностей двох відбитих сигналів при визначеному куті со сканування. ї-The radiation from these two sources falls on the working element from the side of the prism at one point, but with a defined 2o shift along the angle of incidence (A). The light reflected from the prism-metal film separation boundary falls on the light detection system (4), which contains two photosensitive elements (5-6) and a device for comparing the output signals of the photosensitive elements (7). By turning the prism relative to the lighting system, we change the angle of incidence of radiation on the working element of the sensor. And with the help of two photosensitive elements, we fix the value of the intensity of the reflected light. Therefore, we can simultaneously record two resonance curves, the parameters of which are determined by the dielectric properties of the contacting media and, in particular, depend on the type of optical parameters and the thickness of the molecular layer adsorbed on the metal working element of the sensor. In this case, as a characteristic parameter of the resonance curve, which in turn is the output parameter of the sensor device, you can choose the value of the angle of incidence (B), at which the difference in the intensities of the reflected signals from the two sources is minimal (Fig. 4). Thus, in order to record the fact of the occurrence of a biomolecular reaction on the surface of the working element of the sensor, it is necessary to measure the difference in intensities of the two reflected signals at a certain scanning angle with the help of a device for comparing the output signals of the photosensitive elements (7). uh-

Отже, на одержання вихідної характеристики приладу витрачається кілька секунд і немає необхідності у вимірі крок за кроком усієї резонансної кривої чи її частини для визначення резонансного мінімуму. ме)Therefore, it takes a few seconds to obtain the initial characteristic of the device, and there is no need to measure step by step the entire resonance curve or its part to determine the resonance minimum. me)

Пропонований у винаході спосіб одержання вихідної інформації не вимагає операцій, програмне керованих за «о допомогою комп'ютера. Тому значно спрощується конструкція приладу, зменшуються його габарити та значно знижується вартість.The method of obtaining initial information proposed in the invention does not require operations controlled by software using a computer. Therefore, the design of the device is significantly simplified, its dimensions are reduced and the cost is significantly reduced.

Claims

The formula of the invention h - s Device for the analysis of biomolecular media, containing a prism of total internal reflection with a film metal working element applied to its surface, a lighting system containing a source of p-polarized monochromatic light, located in such a way that the radiation falls

455. On the working element from the side of the prism, the device for turning the prism relative to the lighting system and the system b for detecting light reflected from the working element, which is characterized by the fact that the lighting system contains another similar light source, located relative to the first in such a way that radiation from o it hit the working element at the same point as the first, but with a shift in the angle of incidence, and the -I detection system additionally contains another photosensitive element and a device for comparing the output signals of the photosensitive elements. (ee) - P 60 b5