UA125905C2 - Sensor based on the phenomenon of surface plasmon resonance - Google Patents
Sensor based on the phenomenon of surface plasmon resonance Download PDFInfo
- Publication number
- UA125905C2 UA125905C2 UAA201903815A UAA201903815A UA125905C2 UA 125905 C2 UA125905 C2 UA 125905C2 UA A201903815 A UAA201903815 A UA A201903815A UA A201903815 A UAA201903815 A UA A201903815A UA 125905 C2 UA125905 C2 UA 125905C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- glass substrate
- refractive index
- substrate
- prism
- metal layer
- Prior art date
Links
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 title claims abstract description 11
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 47
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 32
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 10
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims abstract description 8
- 241000750042 Vini Species 0.000 claims 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 7
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 239000012790 adhesive layer Substances 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 2
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 description 2
- 108091008695 photoreceptors Proteins 0.000 description 2
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000724822 Teia Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
з поверхнею призми повного внутрішнього відбиття. Між контактуючими поверхнями підкладинки і призми розташована імерсійна рідина. Згідно з винаходом, поверхня скляної підкладинки зі сторони металевого шару додатково має поверхневий шар товщиною 200...800 нм з показником заломлення, який менше показника заломлення скляної підкладинки і становить 1,45...0,99-М. Даний поверхневий шар утворений електронно-променевою обробкою поверхні скляної підкладинки зі сторони металевого шару. Винахід забезпечує підвищення чутливості вимірювань при сталому діапазоні вимірювання кутового положення мінімуму характеристики відбиття. й що - вхід НН вихід о; ; І Е с ; р - ра рака й а ше ди й / рн ра й 7 і я ч а. Н й 1with a total internal reflection prism surface. An immersion liquid is located between the contacting surfaces of the substrate and the prism. According to the invention, the surface of the glass substrate from the side of the metal layer additionally has a surface layer with a thickness of 200...800 nm with a refractive index that is less than the refractive index of the glass substrate and is 1.45...0.99-M. This surface layer is formed by electron beam treatment of the surface of the glass substrate from the side of the metal layer. The invention provides an increase in the sensitivity of measurements with a constant range of measurement of the angular position of the minimum of the reflection characteristic. and what - input LV output o; ; I E s; р - ра рака и а ше ди и / рн ра и 7 и я ча. No. 1
Фіг. 1Fig. 1
Запропонований винахід належить до галузі оптоелектронних твердотільних сенсорних приладів на основі поверхневого плазмонного резонансу (ППР) для хімічного і біологічного аналізу, заснованого на реєстрації адсорбції або реакції взаємодії молекул у газовому і рідкому середовищах. Ці прилади дозволяють робити екологічний моніторинг навколишнього середовища, а також експресний аналіз складу продуктів, рідин при медичних та клінічних дослідженнях. Запропонований винахід може бути використаний для виробництва сенсорних приладів, які працюють на явищі ППР.The proposed invention belongs to the field of optoelectronic solid-state sensor devices based on surface plasmon resonance (SPR) for chemical and biological analysis based on the registration of adsorption or reaction of the interaction of molecules in gaseous and liquid media. These devices allow ecological monitoring of the environment, as well as express analysis of the composition of products and liquids during medical and clinical research. The proposed invention can be used for the production of sensor devices that work on the PPR phenomenon.
Відомий прилад на основі явища ППР (1) містить оптичний вузол, який складається з призми повного внутрішнього відбиття з металевою плівкою, джерела р-поляризованого монохроматичного випромінювання, яке опромінює металеву плівку з боку призми, та системи вимірювання інтенсивності відбитого від металевої плівки світла. Принцип роботи приладу полягає у вимірюванні інтенсивності відбитого від металевої плівки монохроматичного світла при зміні кута падіння. При певному куті падіння за рахунок поглинання енергії падаючої хвилі плазмонами металевої плівки інтенсивність відбитого світла суттєво зменшується, що безпосередньо можна спостерігати як провал на характеристиці відбиття діапазоні кутів більше критичного. Дослідження даної залежності в умовах адсорбції чи взаємодії молекул, що відбуваються на протилежній стороні металевої плівки, дозволяє вивчати взаємодію між біохімічними об'єктами, що досліджуються. У цьому приладі вимір характеристики відбиття здійснюється з використанням широкого світлового променя, що покриває певний інтервал кутів падіння і фокусується в одній точці на металевій поверхні. Відбите випромінювання експонується на лінійку фотодіодів і створює певний електричний сигнал, що в подальшому аналізується. Процес адсорбції біологічних молекул на сенсорну поверхню аналогічний формуванню шару молекул з певним коефіцієнтом заломлення та товщиною. Форма резонансної кривої та положення мінімуму змінюється в процесі адсорбції. Таким чином, прилад дозволяє протягом кількох хвилин 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, що дозволяє зробити висновок про процеси біохімічної взаємодії досліджуваних реагентів.The known device based on the PPR phenomenon (1) contains an optical unit consisting of a total internal reflection prism with a metal film, a source of p-polarized monochromatic radiation that irradiates the metal film from the side of the prism, and a system for measuring the intensity of light reflected from the metal film. The principle of operation of the device consists in measuring the intensity of monochromatic light reflected from a metal film when the angle of incidence changes. At a certain angle of incidence due to the absorption of the energy of the incident wave by the plasmons of the metal film, the intensity of the reflected light decreases significantly, which can be directly observed as a drop in the reflection characteristic in the range of angles greater than the critical one. The study of this dependence under the conditions of adsorption or interaction of molecules occurring on the opposite side of the metal film allows studying the interaction between the biochemical objects under study. In this device, the reflection characteristic is measured using a wide light beam that covers a certain range of incidence angles and is focused at one point on a metal surface. The reflected radiation is exposed to a line of photodiodes and creates a certain electrical signal, which is further analyzed. 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. The shape of the resonance curve and the position of the minimum changes during the adsorption process. Thus, the device allows for a few minutes to detect 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 photoreceptors, which allows us to draw a conclusion about the processes of biochemical interaction of the investigated reagents.
Недоліком відомої сенсорної системи є малий кут сканування (5 кут. град.), який дозволяєThe disadvantage of the known sensor system is a small scanning angle (5 angular degrees), which allows
Зо досліджувати шари аналіту з коефіцієнтом заломлення тільки у вузькому діапазоні 1.33--1.38, що обмежує перелік досліджуваних середовищ.To investigate analyte layers with a refractive index only in a narrow range of 1.33--1.38, which limits the list of investigated media.
Також відомий прилад для детектування і визначення концентрації біомолекул |2). Прилад містить оптичний вузол, який складається з джерела р-поляризованого монохроматичного світла, призми повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим робочим елементом товщиною 45...60 нм, що містить у собі плівку золота, і системи вимірювання інтенсивності відбитого від робочого елементу світла, а також пристрій механічного повороту призми з кроковим двигуном і системою передачі обертального руху від крокового двигуна до призми. Детектування і визначення концентрації біомолекул і молекулярних комплексів полягає в опроміненні 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 за спеціально розробленим алгоритмом, тобто отримання характеристики відбиття - залежності відбитої інтенсивності від кута падіння світла. Аналізуючи форму характеристики відбиття та кутове положення мінімуму, можна аналізувати характер біомолекулярних взаємодій для широкого кола речовин.A device for detecting and determining the concentration of biomolecules is also known |2). The device contains an optical unit consisting of a source of p-polarized monochromatic light, a prism of total internal reflection with a 45-60 nm thick film metal working element applied to its surface, containing a gold film, and a system for measuring the intensity of the reflected from the working light element, as well as a device for mechanical rotation of the prism with a stepper motor and a system for transmitting rotational motion from the stepper motor to the prism. Detection and determination of the concentration of biomolecules and molecular complexes consists in irradiating 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, i.e. obtaining the reflection characteristics - dependence of the reflected intensity on the angle of incidence of light. By analyzing the shape of the reflection characteristic and the angular position of the minimum, it is possible to analyze the nature of biomolecular interactions for a wide range of substances.
Основними перевагами приладу є можливість працювати з середовищами з показниками заломлення 1,0-14,5, а також отримувати повну характеристику відбиття для подальшої математичної обробки на відміну від вищезгаданого сенсора без механічної розгортки по куту падіння випромінювання.The main advantages of the device are the ability to work with media with refractive indices of 1.0-14.5, as well as to obtain a full reflection characteristic for further mathematical processing, in contrast to the above-mentioned sensor without mechanical scanning along the angle of incidence of radiation.
Основним недоліком вищенаведеного аналога є те, що робочий елемент наноситься безпосередньо на поверхню призми, що є технологічно складним, оскільки для напорошення металевих плівок лише на одну грань призми необхідне спеціальне устаткування. Крім цього у випадку виходу з ладу робочого елемента, через його інтенсивну експлуатацію, необхідно замінювати коштовну призму, що є економічно невигідним кроком.The main disadvantage of the above analogue is that the working element is applied directly to the surface of the prism, which is technologically difficult, since special equipment is needed to spray metal films on only one face of the prism. In addition, in case of failure of the working element due to its intensive use, it is necessary to replace the expensive prism, which is an economically unprofitable step.
Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип, є сенсор на основі явища поверхневого плазмонного резонансу |ІЗЇ, що містить плоско-паралельну поліровану скляну підкладинку, на одній поверхні якої розташовано плівковий металевий робочий елемент, а інша поверхня підкладинки, оптично контактує з поверхнею призми повного внутрішнього відбиття, причому між контактуючими поверхнями підкладинки і призми розташована імерсійна рідина. бо Автори |ІЗ| застосовували підкладинку зі скла (показник заломлення 1,51) з габаритними розмірами 41 х 19 х 1,5 мм3, скляну призму (показник заломлення 1,52) та імерсійну рідину (показник заломлення 1,45), а робочий елемент представляв собою плівку золота товщиною 30...60 нм. Основною перевагою прототипу є можливість оперативної заміни робочого елемента при виході його з ладу шляхом заміни скляної підкладинки.The closest technical solution, accepted as a prototype, is a sensor based on the phenomenon of surface plasmon resonance |IZI, which contains a plane-parallel polished glass substrate, on one surface of which there is a film metal working element, and the other surface of the substrate is in optical contact with the surface of the prism of the full internal reflection, and an immersion liquid is located between the contacting surfaces of the substrate and the prism. because the Authors of |IZ| used a glass substrate (refractive index 1.51) with overall dimensions of 41 x 19 x 1.5 mm3, a glass prism (refractive index 1.52) and immersion liquid (refractive index 1.45), and the working element was a gold film 30...60 nm thick. The main advantage of the prototype is the ability to quickly replace the working element when it fails by replacing the glass substrate.
Недоліком прототипу є різниця між показниками заломлення досліджуваного середовища та підкладинки, що зменшує чутливість вимірювання. Зменшення показника заломлення підкладинки та наближення його значення до показника заломлення досліджуваного середовища є небажаним оскільки призведе до звуження динамічного діапазону вимірювання показників заломлення досліджуваного середовища через звуження діапазону вимірювання кутового положення мінімуму характеристики відбиття.The disadvantage of the prototype is the difference between the refractive indices of the investigated medium and the substrate, which reduces the sensitivity of the measurement. Decreasing the refractive index of the substrate and bringing its value closer to the refractive index of the medium under study is undesirable because it will lead to a narrowing of the dynamic range of measuring the refractive indices of the medium under study due to a narrowing of the range of measuring the angular position of the minimum of the reflection characteristic.
Задачею запропонованого винаходу є підвищення чутливості вимірювань при сталому діапазоні вимірювання кутового положення мінімуму характеристики відбиття.The task of the proposed invention is to increase the sensitivity of measurements at a constant range of measurement of the angular position of the minimum of the reflection characteristic.
Поставлена задача вирішується тим, що пропонується сенсор на основі явища поверхневого плазмонного резонансу, який містить джерело р-поляризованого монохроматичного світла, плоско-паралельну поліровану скляну підкладинку з показником заломлення М, на одній поверхні якої розташовано плівковий металевий шар товщиною 30...60 нм, який контактує з досліджуваною речовиною, а інша поверхня підкладинки оптично контактує з поверхнею призми повного внутрішнього відбиття, причому між контактуючими поверхнями підкладинки і призми розташована імерсійна рідина, який відрізняється тим, що поверхня скляної підкладинки зі сторони металевого шару додатково має поверхневий шар товщиною 200...800 нм з показником заломлення, який менше показника заломлення скляної підкладинки і становить 1,45....0,99.М, який утворений електронно-променевою обробкою поверхні скляної підкладинки зі сторони металевого шару.The task is solved by proposing a sensor based on the phenomenon of surface plasmon resonance, which contains a source of p-polarized monochromatic light, a plane-parallel polished glass substrate with a refractive index M, on one surface of which there is a film metal layer 30...60 nm thick , which is in contact with the substance under study, and the other surface of the substrate is optically in contact with the surface of the prism of total internal reflection, and between the contacting surfaces of the substrate and the prism there is an immersion liquid, which is distinguished by the fact that the surface of the glass substrate from the side of the metal layer additionally has a surface layer with a thickness of 200. ..800 nm with a refractive index that is less than the refractive index of the glass substrate and is 1.45...0.99.M, which is formed by electron beam treatment of the surface of the glass substrate from the side of the metal layer.
На фіг. 1 - приведена блок-схема ППР-сенсора винаходу, що заявляється, де 1 -джерело р- поляризованого монохроматичного видимого світла, 2 - призма повного внутрішнього відбиття,In fig. 1 is a block diagram of the PPR sensor of the claimed invention, where 1 is a source of p-polarized monochromatic visible light, 2 is a prism of total internal reflection,
З - скляна підкладинка, 4 - додатковий поверхневий шар, 5 - адгезійний шар хрому, 6 - металева плівка робочого елемента (золото), у якому відбувається збудження поверхневих плазмонів, 7 - проточна кювета для подачі досліджуваної проби, 8 - імерсійна рідина, 9 - система вимірювання інтенсивності світла, відбитого від межі поділу призма/металева плівка.C - glass substrate, 4 - additional surface layer, 5 - chrome adhesive layer, 6 - metal film of the working element (gold), in which surface plasmons are excited, 7 - flow cuvette for feeding the test sample, 8 - immersion liquid, 9 - a system for measuring the intensity of light reflected from the prism/metal film separation boundary.
Зо Сенсор працює наступним чином: призма (2) дискретно (під дією крокового двигуна) змінює своє положення в діапазоні кутів повного внутрішнього відбиття від межі поділу призма-метал відносно напрямку розповсюдження р-поляризованого монохроматичного видимого світла; під дією світла поверхневі плазмони збуджуються в металевій плівці (б), нанесеній через адгезійний шар хрому (5) на поверхню додаткового (4) шару скляної підкладинки (3), розміщеної на призмі повного внутрішнього відбиття (2) через імерсійну рідину (8). Протічна кювета (7) має патрубки для введення та виведення досліджуваної речовини. При резонансі частот фотонів джерела р-поляризованого монохроматичного світла (1) і електронної плазми на зовнішній поверхні металевої плівки робочого елемента (б) відбувається суттєве поглинання енергії фотонів. Проявом цього є зменшення інтенсивності відбитого світла при певному куті падіння світла, яке фіксується системою вимірювання інтенсивності світла (9), що відповідає певним характеристикам досліджуваних речовин або результату взаємодії їх компонентів.Z The sensor works as follows: the prism (2) discretely (under the action of a stepper motor) changes its position in the range of angles of total internal reflection from the prism-metal separation boundary relative to the direction of propagation of p-polarized monochromatic visible light; under the influence of light, surface plasmons are excited in a metal film (b) applied through an adhesive layer of chrome (5) on the surface of an additional (4) layer of a glass substrate (3), placed on a total internal reflection prism (2) through an immersion liquid (8). The flow cuvette (7) has nozzles for the introduction and removal of the test substance. At the resonance of the photon frequencies of the p-polarized monochromatic light source (1) and the electron plasma on the outer surface of the metal film of the working element (b), a significant absorption of photon energy occurs. A manifestation of this is a decrease in the intensity of the reflected light at a certain angle of incidence of light, which is recorded by the light intensity measurement system (9), which corresponds to certain characteristics of the substances under study or the result of the interaction of their components.
Запропонований сенсор на основі явища поверхневого плазмонного резонансу, у якого поверхня скляної підкладинки зі сторони металевого шару додатково має поверхневий шар товщиною 200...800 нм, утворений електронно-променевою обробкою поверхні скляної підкладинки зі сторони металевого шару. Показник заломлення утвореного шару менший за показник заломлення скляної підкладинки М і становить 1,45....0,99.М, що порівняно з прототипом, забезпечує підвищення чутливості вимірювань. При цьому утворення такого поверхневого шару не змінює діапазон вимірювання кутового положення мінімуму характеристики відбиття, оскільки не зсуває початкове значення характеристики відбиття (як у прототипі, див. ІЗ, стор. 64|) Запропонований діапазон товщини поверхневого шару обумовлений забезпеченням збільшення чутливості, у порівнянні з прототипом при однакових умовах вимірювання та показником заломлення поверхневого шару. Запропонований діапазон показника заломлення поверхневого шару обумовлений збільшенням чутливості, у порівнянні з прототипом, при однакових умовах вимірювання, та нижнею границею діапазону показників заломлення оптичного скла.The proposed sensor is based on the phenomenon of surface plasmon resonance, in which the surface of the glass substrate from the side of the metal layer additionally has a surface layer 200...800 nm thick, formed by electron beam treatment of the surface of the glass substrate from the side of the metal layer. The refractive index of the formed layer is lower than the refractive index of the glass substrate M and is 1.45...0.99.M, which, compared to the prototype, provides an increase in the sensitivity of measurements. At the same time, the formation of such a surface layer does not change the range of measurement of the angular position of the minimum of the reflection characteristic, since it does not shift the initial value of the reflection characteristic (as in the prototype, see IZ, p. 64 |) The proposed range of the thickness of the surface layer is due to ensuring an increase in sensitivity, compared prototype under the same measurement conditions and refractive index of the surface layer. The proposed range of the index of refraction of the surface layer is due to an increase in sensitivity, compared to the prototype, under the same measurement conditions, and the lower limit of the range of indices of refraction of optical glass.
Для обгрунтування запропонованих характеристик поверхневого шару було проведено математичне моделювання на основі матриць розсіяння Джонса та формул Френеля |4)| для плівкового металевого шару товщиною 50 нм з комплексною діелектричною проникністю єм - - 12,9284| 1,296 та показника заломлення М скляної підкладинки по-1,51 (відповідно до бо прототипу) ії досліджуваної речовини по-1,33 (дистильована вода). Показник заломлення поверхневого шару змінювали в межах від по-1,45 (кварцове скло) до 0,99-М (по-1,50).To substantiate the proposed characteristics of the surface layer, mathematical modeling was carried out based on Jones scattering matrices and Fresnel formulas |4)| for a film metal layer with a thickness of 50 nm with a complex dielectric constant of - - 12.9284| 1.296 and the refractive index M of the glass substrate is 1.51 (corresponding to the prototype) and the substance under investigation is 1.33 (distilled water). The refractive index of the surface layer was varied from 1.45 (quartz glass) to 0.99-M (1.50).
Розрахована залежність чутливості сенсора від товщини поверхневого шару підкладинки та його показника заломлення для трьох значень 1,45; 1,48 та 1,50 наведена на фіг. 2. З графіку залежності видно, що у випадку наявності поверхневого шару чутливість зростає у 1,5 рази для оптимальної товщини поверхневого шару 400 нм і заданого показника заломлення досліджуваної речовини. При товщині поверхневого шару меншій 200 нм та більшій за 800 нм чутливість вимірювання менша за значенням, або наближена до значення чутливості прототипу. Графік залежності зміни кутового положення мінімуму характеристики відбиття від показника заломлення скляної підкладинки і її поверхневого шару для прототипу та винаходу наведено на фіг. З для досліджуваного середовища дистильованої води (по-1,33). При цьому товщина поверхневого шару була обрана рівною 400 нм, котра є оптимальною для досягнення максимальної чутливості. Як видно з фіг. З для винаходу, що заявляється, кутове положення мінімуму характеристики відбиття зсувається у сторону менших кутів, що забезпечує сталість діапазону вимірювання показників заломлення досліджуваної речовини, тобто різниці між верхньою та нижньою межами діапазону вимірювання. При цьому для прототипу кутове положення мінімуму характеристики відбиття зсувається у сторону більших кутів, що призводить до звуження діапазону вимірювання.The calculated dependence of the sensitivity of the sensor on the thickness of the surface layer of the substrate and its refractive index for three values of 1.45; 1.48 and 1.50 is shown in fig. 2. It can be seen from the dependence graph that in the case of the presence of a surface layer, the sensitivity increases by 1.5 times for the optimal thickness of the surface layer of 400 nm and the specified refractive index of the substance under study. When the thickness of the surface layer is less than 200 nm and more than 800 nm, the sensitivity of the measurement is smaller in value, or close to the value of the sensitivity of the prototype. The graph of the dependence of the change in the angular position of the minimum of the reflection characteristic on the refractive index of the glass substrate and its surface layer for the prototype and the invention is shown in Fig. With for the studied medium of distilled water (1.33 each). At the same time, the thickness of the surface layer was chosen equal to 400 nm, which is optimal for achieving maximum sensitivity. As can be seen from fig. According to the claimed invention, the angular position of the minimum of the reflection characteristic is shifted towards smaller angles, which ensures the constancy of the measurement range of the refractive index of the substance under study, i.e. the difference between the upper and lower limits of the measurement range. At the same time, for the prototype, the angular position of the minimum of the reflection characteristic is shifted towards larger angles, which leads to a narrowing of the measurement range.
Запропоновані параметри поверхневого шару (товщина та показник заломлення) можна отримати після оптичного полірування з додатковою електронно- променевою обробкою поверхні скла підкладинки |5Ї, що раніше не використовувалось для підготовки поверхні підкладинок сенсорів на основі явища поверхневого плазмонного резонансу. При цьому діапазон вимірювання діапазону вимірювання кутового положення мінімуму характеристики відбиття показника і заломлення досліджуваного середовища залишається сталим. Таким чином, запропоноване технічне рішення вирішує поставлену задачу.The proposed parameters of the surface layer (thickness and refractive index) can be obtained after optical polishing with additional electron beam treatment of the glass surface of the |5Y substrate, which was not previously used for surface preparation of sensor substrates based on the phenomenon of surface plasmon resonance. At the same time, the measurement range of the measurement range of the angular position of the minimum characteristic of the reflection index and refraction of the medium under study remains constant. Thus, the proposed technical solution solves the task.
Сукупність відомих і запропонованих ознак приладу, що заявляється, раніше не була відома і тому запропонований винахід відповідає критерію новизни та корисності.The set of known and proposed features of the claimed device was not previously known and therefore the proposed invention meets the criterion of novelty and usefulness.
Приклад реалізації.An example of implementation.
Для реалізації технічного рішення було зібрано два сенсори, згідно із схемою, наведеною на фіг. 1. Як джерело р-поляризованого монохроматичного світла в обох сенсорах булоTo implement the technical solution, two sensors were assembled according to the scheme shown in Fig. 1. As a source of p-polarized monochromatic light in both sensors was
Зо використано напівпровідникові СаАє лазери з довжиною хвилі 650 нм, призми повного внутрішнього відбиття і підкладинки виконані з оптичного силікатного скла марки К8 з показником заломлення 1,514 близьким за значенням до показників заломлення призми та підкладок прототипу. Робоча грань підкладинки одного із сенсорів після полірування за оптичною технологією додатково пройшла електронно-променеву обробку, відповідно до способу |З), для утворення додаткового шару через її локальний нагрів (відповідно до винаходу). Електронно-променева обробка проводилась у вакуумі лінійним променем, який сканував поверхню скляної підкладинки. Оскільки обробка проводилась у вакуумі, компоненти з меншою температурою випаровування з поверхневого шару скла випаровувались, що зменшувало його показник заломлення. Підкладинка другого сенсора не проходила електронно- променеву обробку.Semiconductor CaAe lasers with a wavelength of 650 nm were used, total internal reflection prisms and substrates were made of K8 optical silicate glass with a refractive index of 1.514, which is close in value to the refractive indices of the prism and substrates of the prototype. The working face of the substrate of one of the sensors, after polishing by optical technology, was additionally subjected to electron beam treatment, in accordance with method |C), to form an additional layer due to its local heating (according to the invention). Electron beam processing was carried out in a vacuum with a linear beam that scanned the surface of the glass substrate. Since the processing was carried out in a vacuum, the components with a lower evaporation temperature from the surface layer of the glass were evaporated, which reduced its refractive index. The substrate of the second sensor did not undergo electron beam treatment.
Показник заломлення додаткового шару плоско-паралельної скляної пластини контролювали рефрактометричним методом, а товщину додаткового шару методом рентгенівської рефлектометри. Потім на оброблену поверхню обох скляних підкладок термічним напорошенням у вакуумі на пристрою ВУП-5 було нанесено спочатку шар хрому товщиною 2...4 нм, потім золота товщиною 30...60 нм (відповідно до прототипу). Далі визначали чутливість обох сенсорів по зміні напруги на виході фотоприймача системи вимірювання інтенсивності світла при зсуві характеристик відбиття внаслідок зміні показника заломлення досліджуваної речовини. Як досліджувану речовину застосовували розчини глюкози з концентраціями 1.3, 2.5, 8.5, 14, 20 та 25 95об., а як референт - дистильовану воду, кінетика заміщення якої на досліджувані речовини показана на Фіг.4. Для всіх випадків концентрації водних розчинів глюкози чутливість зросла у 1,8 рази через наявність поверхневого шару зі зменшеним значенням показника заломлення порівняно з показником заломлення скляної підкладинки. За результатами рефрактометрії встановлено, що показник заломлення поверхневого шару, що утворився внаслідок електронно-променевої обробки, становив 1,4577-0,0002, а його товщина визначена методом рентгенівської рефлектометри становила 35021 нм.The index of refraction of the additional layer of the plane-parallel glass plate was controlled by the refractometric method, and the thickness of the additional layer by the X-ray reflectometer method. Then, a layer of chromium with a thickness of 2...4 nm, then gold with a thickness of 30...60 nm (according to the prototype) was applied to the treated surface of both glass substrates by thermal sputtering in a vacuum on the VUP-5 device. Next, the sensitivity of both sensors was determined according to the change in the voltage at the output of the photoreceptor of the light intensity measurement system when the reflection characteristics were shifted due to the change in the refractive index of the substance under study. Glucose solutions with concentrations of 1.3, 2.5, 8.5, 14, 20, and 25 95 vol were used as the test substance, and distilled water was used as a reference, the kinetics of which substitution for the test substances is shown in Fig.4. For all cases of the concentration of aqueous glucose solutions, the sensitivity increased by 1.8 times due to the presence of a surface layer with a reduced value of the refractive index compared to the refractive index of the glass substrate. According to the results of refractometry, it was established that the refractive index of the surface layer formed as a result of electron beam treatment was 1.4577-0.0002, and its thickness determined by the X-ray reflectometer method was 35021 nm.
Таким чином, результати вимірювань показали, що при використанні запропонованого сенсора, чутливість вимірювання зростає у 1,8 рази при сталому діапазоні вимірювання кутового положення мінімуму характеристики відбиття. бо Джерела інформації:Thus, the measurement results showed that when using the proposed sensor, the measurement sensitivity increases by 1.8 times at a constant range of measurement of the angular position of the minimum of the reflection characteristic. because Sources of information:
1. Опцпед іаіе5 Раїєпі: 6,480,282, МПК сО1М 021/05. СарійПагу зипйасе ріавєтоп гезопапсе зепзог апа тийівепзогв / СпіпомувКу Т.М., Меє 5.5.; Мометрбег 12, 2002 2. Ширшов Ю.М., Венгер Є.Ф., Прохорович А.В., Ушенін Ю.В., Мацас Є.П., Чегель В..,1. Optsped iaie5 Raiepi: 6,480,282, IPC cO1M 021/05. SariyPagu zipyase riavetop gezopapse zepzog apa tiyivepzogv / SpipomuvKu T.M., Maye 5.5.; Mometerbeg 12, 2002 2. Shirshov Yu.M., Wenger E.F., Prokhorovich A.V., Ushenin Yu.V., Matsas E.P., Chegel V..,
Самойлов А.В., Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення; Патент України Мо 46018, опубл. 15.05.2002; бюл.A.V. Samoilov, A method of detecting and determining the concentration of biomolecules and molecular complexes and a device for its implementation; Patent of Ukraine Mo 46018, publ. 05/15/2002; Bull.
Мо 5Mo 5
З. зпорок В.А., КовійКемісп К.М., І увепКо 5.І., | уїмуп Р.М., Гуїмуп О.5., Матукіп 5.М., 2упіоZ. zporok V.A., KoviiKemisp K.M., I uvepKo 5.I., | uimup R.M., Guimup O.5., Matukip 5.M., 2upio
З.А., Оріїса! Біозепзої5 Базей оп Ше зипасе ріазтоп гезопапсе рпепотепоп: оріїтігайоп ої Ше теїа! Іауег рагатеїег5 / Зетісопаийсіог РНузісх, Оцапішт ЕІесігопісв апа Оріовієсігопісв.-2001. -Z.A., Oriisa! Biozepsoi5 Basei op She zipase riaztop gezopapse rpepotepop: oriitigayop oi She teia! Iaueg ragateieg5 / Zetisopaysiog Rnuziskh, Otsapisht Eiesigopisv apa Orioviesigopisv.-2001. -
МОЇ.4, Мо 1. - Р.56-69. 4. Аззам Р.Зллипсометрия и поляризованньй свет. / Р. Аззам, Н. Башара - М.: Мир, 1981.- 583 с. 5. Канашевич Г.В., Голуб М.В., Клочанка Н.В., Ясінський Д.С. Спосіб обробки скла, патентMOI.4, Mo. 1. - R.56-69. 4. Azzam R. Ellipsometry and polarized light. / R. Azzam, N. Bashara - M.: Mir, 1981. - 583 p. 5. Kanashevich G.V., Golub M.V., Klochanka N.V., Yasinskyi D.S. Glass processing method, patent
України на корисну модель Мо 112084 від 12.12.2016, бюл. Мо 23.of Ukraine for utility model No. 112084 dated 12.12.2016, Bull. May 23.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA201903815A UA125905C2 (en) | 2019-04-12 | 2019-04-12 | Sensor based on the phenomenon of surface plasmon resonance |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA201903815A UA125905C2 (en) | 2019-04-12 | 2019-04-12 | Sensor based on the phenomenon of surface plasmon resonance |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA125905C2 true UA125905C2 (en) | 2022-07-06 |
Family
ID=89835753
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UAA201903815A UA125905C2 (en) | 2019-04-12 | 2019-04-12 | Sensor based on the phenomenon of surface plasmon resonance |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| UA (1) | UA125905C2 (en) |
-
2019
- 2019-04-12 UA UAA201903815A patent/UA125905C2/en unknown
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101029473B1 (en) | Focus ellipsometer surface plasmon resonance measuring device | |
| Brecht et al. | Interferometric immunoassay in a FIA-system: a sensitive and rapid approach in label-free immunosensing | |
| KR101012056B1 (en) | Multichannel Ellipsometer Surface Plasmon Resonance Measuring Device | |
| JP5890398B2 (en) | Improved sensor measurement method | |
| Jääskeläinen et al. | On reflectometric measurement of a refractive index of milk | |
| Niggemann et al. | Remote sensing of tetrachloroethene with a micro-fibre optical gas sensor based on surface plasmon resonance spectroscopy | |
| US20100103421A1 (en) | Sensor unit for a surface plasmon resonance (spr) unit | |
| CN101400987A (en) | Total reflection attenuation type optical probe and aqueous solution spectrometry device using the total reflection attenuation type optical probe | |
| CN109211823A (en) | The non-dispersive infrared carbon dioxide gas sensor of hydrophobic film with deposition | |
| EP2810047A1 (en) | Imaging systems for optical computing devices | |
| KR102103077B1 (en) | High-sensitivity ellipsometry-based biosensing technique by using a tracer having high absorption coefficient and a dielectric substrate | |
| US5502560A (en) | Analytical sensor using grating light reflection spectroscopy | |
| US20120244554A1 (en) | Method for the direct measure of molecular interactions by detection of light reflected from multilayered functionalized dielectrics | |
| 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 | |
| UA125905C2 (en) | Sensor based on the phenomenon of surface plasmon resonance | |
| JP3873120B2 (en) | Thin film thickness measurement method | |
| US10145675B2 (en) | Using tunable lasers in the design, manufacture, and implementation of integrated optical elements | |
| Khrystosenko | Optimization of the surface plasmon resonance minimum detection algorithm for improvement of method sensitivity | |
| US11215507B2 (en) | Spectral analysis device and spectral analysis method | |
| US6738139B1 (en) | Method of determining bulk refractive indicies of fluids from thin films thereof | |
| 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 | |
| Niggemann et al. | Intrinsic fiber optical gas sensor based on surface plasmon resonance spectroscopy | |
| Bombarová et al. | Surface plasmon resonance ellipsometry based biosensor for the investigation of biomolecular interactions | |
| Jääskeläinen et al. | On measurement of complex refractive index of liquids by diffractive element-based sensor |