UA128297C2 - Спосіб виготовлення чутливого елемента поверхневого плазмонного резонансу - Google Patents

Abstract

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. Запропонований винахід може бути використаний в харчовій, хімічній і фармацевтичній промисловостях, сільському господарстві, медицині. Спосіб виготовлення чутливого елемента сенсора поверхневого плазмонного резонансу полягає у нанесенні на поверхню полірованої скляної підкладки плівки хрому, а потім і плівки золота, що нанесена на плівку хрому. Далі чутливий елемент з боку скла сканують сфокусованим до діаметра 2-4 мм лазерним випромінюванням потужністю 200-500 мВт з довжиною хвилі з діапазону 808…1064 нм зі швидкістю сканування 2-4 мм/с. Технічним результатом винаходу є збільшення кількості циклів використання чутливих елементів.

Description

використання чутливих елементів.

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 швидкий і екологічний моніторинг довкілля, а також експресний аналіз складу продуктів, рідин при медичних та клінічних дослідженнях.

Запропонований винахід може бути використана в харчовій, хімічній і фармацевтичній промисловостях, сільському господарстві, медицині.

Відомий прилад на основі явища ППР (рефрактометр) (| 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 (крива ППР) в 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 кривої ППР 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 адсороції.

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.

Недоліком відомої сенсорної системи є малий кут сканування (5 кут. град.), який дозволяє досліджувати шари з коефіцієнтом заломлення в діапазоні 1,33-1,386, що обмежує перелік досліджуваних середовищ.

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 елемента світла, а також пристрій для 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 кривої ППР - залежності відбитої інтенсивності від кута падіння світла. Аналізуючи форму ППР-кривої та кутове положення мінімуму, можна аналізувати характер біомолекулярних взаємодій для широкого кола речовин. Механічне сканування кута падіння випромінювання в діапазоні 17 кутових градусів дозволяє працювати з середовищами з показниками заломлення 1,0-1,5, а також отримувати повну криву ППР для подальшої математичної обробки на відміну від вищезгаданого сенсору без механічної розгортки по куту падіння випромінювання.

Недоліком цього приладу є низька стабільність і мала довговічність чутливого елемента

ППР (кількість циклів вимірювань до його зносу), яка пов'язана з низькою адгезією його металевої плівки до поверхні призми повного внутрішнього відбиття, в результаті чого ця плівка відшаровується від поверхні призми під час промивки та протиранні чутливого елемента ППР після кожного циклу вимірювань при дослідженні різних речовин (від зразка до зразка).

Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип, є ППР-прилад для аналізу біохімічних середовищ |З|Ї, який містить оптичний вузол, який складається з джерела р- поляризованого монохроматичного видимого світла, призми повного внутрішнього відбиття з нанесеним на її поверхню плівковим металевим чутливим елементом товщиною 45-60 нм, що містить у собі плівку золота, і системи вимірювання інтенсивності відбитого від чутливого елемента світла, а також пристрій механічного повороту призми з кроковим двигуном і бо системою передачі обертального руху від крокового двигуна до призми. Металевий шар чутливого елемента додатково містить плівку хрому товщиною 2-8 нм, розміщену між призмою та плівкою золота.

Шар хрому наносять для збільшення адгезії золота до поверхні скляної призми повного внутрішнього відбиття. Без хрому шар золота не має високої адгезії до скла і може бути легко видалений при промивці чи протиранні.

Недоліком прототипу є те, що при нанесенні шару хрому у вакуумних установках для нанесення плівок дифузійні процеси, що забезпечують адгезію, майже не проходять, тому що дифузійний відпал ефективний при температурах 0,6 Т плавлення, тобто для ефективного відпалу хрому потрібно його нагріти майже до температури плавлення золота. Ці вимоги важко забезпечити при напиленні металевих хрому та золота, що практично унеможливлює дифузійний відпал шару хрому. Тому за таким способом виготовлення чутливого елемента не досягається максимально можливе збільшення циклів вимірювань до його зносу.

Задачею запропонованої корисної моделі є збільшення кількості циклів протирань чутливого елемента приладу на основі явища ППР для використання для подальших вимірювань.

Поставлена задача вирішується тим, що пропонується спосіб виготовлення чутливого елемента сенсора поверхневого плазмонного резонансу, за яким на поверхню полірованої скляної підкладки наносять плівку хрому і плівку золота, що нанесена на плівку хрому, який відрізняється тим, що виготовлений чутливий елемент з боку скла сканують сфокусованим до діаметра 2-4 мм лазерним випромінюванням потужністю 200-500 мВт з довжиною хвилі з діапазону 808...1064 нм зі швидкістю сканування 2-4 мм/с.

Запропонований спосіб дозволяє забезпечити проявлення явища лазерної абляції та проводити послідовний по площині чутливого елемента локальний відпал, при котрому хром взаємодіє з поверхнею скляної підкладки з одного боку та утворює твердий розчин хрому в золоті з іншого боку. Така взаємодія під дією лазерного випромінювання суттєво впливає на адгезію шару золота та, відповідно, на кількість циклів використання чутливого елемента.

Режими лазерної обробки пов'язані з необхідністю передачі теплової енергії для можливості локальних дифузійних процесів в шарах хрому та золота.

Запропоноване технічне рішення відповідає критерію новизни через те, що операція опромінювання чутливого елемента раніше не застосовували.

Приклад реалізації

Для реалізації запропонованого технічного рішення була виготовлена партія однакових зразків необхідної кількості для проведення експериментів за всіма режимами, що заявляються.

Зразки представляли собою пластинки зі скла марки ФІ1 (розміри - 20х20 мм, товщина - 1 мм) з нанесеними на установці ВУП-5 на її одну поверхню плівки спочатку хрому товщиною 6:32 нм, а потім золота товщиною 4852 нм. Пластинку закріпляли на рухомому столику у вертикальному положенні та опромінювали лазером з довжиною хвилі А ближнього ІЧ діапазону довжин хвиль (з діапазону 808...1064 нм) та плямою 2-4 мм. Потужність 200-500 мВт. Мінімальна площина опромінення становила 2х15 мм, а максимальна - вся пластинка, яку формували переміщенням рухомого столика зі швидкістю 2-4 мм/с. При опроміненні зразка більша частина падаючого світла відбивалась, тому для збільшення поглинання область обробки затемнювали. На приладі "Плазмон-6" вимірювали характеристики відбиття до обробки та після, як у випадку відсутності, так і у випадку наявності покриття. Кут ППР дорівнював 44,97 при всіх експериментах. Для визначення кількості циклів використання та працездатності пластин проводили їхнє протирання. Результати вимірювань порівнювали з пластинами, котрі не опромінювали лазером. Результати порівняльних експериментів наведені в таблиці:

Зміни кута ППР порівняно з Ефект збільшення кількості прототипом циклів протирання без пошкоджень золотого шару

Потужність Зміни кута немає та ефект ППР 200 мВт за величиною поглинання не 10 до 350 мВт відбувається 300 9о 500 мВт 500 95

Діаметр сфокусованого лазерного Зміни кута немає та ефект ППР випромінювання за величиною поглинання не 10 до 4 мм : о

З ММ відбувається ЗО о 500 95 2 мМ

Швидкість сканування Зміни кута немає та ефект ППР 4 мм/с за величиною поглинання не 10 до

Змм/с відбувається 300 9о 2мм/с 500 95 родина опромінювання Зміни кута немає та ефект ППР 10 95 10 х 15. ММ за величиною поглинання не 300 25 20 х 20 мм відбувається БОЮ 95

Аналіз результатів показав, що при зменшенні впливу параметрів лазерного опромінювання (менша потужність 200 мВт, більший діаметр плями 4 мм, більша швидкість сканування 4 мм/с, менша площина опромінювання 2 х 15 мм), хоча не призводить до зміни проявлення ППР явища, але має малу ефективність по збільшенню циклів протирань.

Зміни параметрів лазерного опромінювання (збільшення потужності 500 мВт, менший діаметр плями 2 мм, менша швидкість сканування 2 мм/с, більша площина опромінювання 20 х 20 мм) дає значний ефект, але подальше збільшення ефекту не доцільне тому, що руйнується золотий шар.

Рекомендується для використання оптимальний режим: потужність опромінювання 350 мВт, діаметр плями З мм, швидкість сканування З мм/с, площина опромінювання 10 х 15 мм.

Отримані результати підтвердили, що режими лазерної обробки пов'язані з необхідністю передачі теплової енергії для можливості локальних дифузійних процесів в шарах хрому та золота.

Отож запропоноване технічне рішення відповідає критерію корисності тому, що збільшується кількість циклів використання чутливих елементів.

Джерела інформації: 1. Опйей 5(асез Раїепі: 6,480,282, МПК 501М 021/05. СарШагу зипасе ріазтоп гезопапсе зепзог апа тийізепвогв / Спіпому5Ку Т.М., Мее 5.5.; Мометрбег 12, 2002. 2. Ширшов Ю.М., Венгер Є.Ф., Прохорович А.В., Ушенін Ю.В., Мацас Є.П., Чегель В..,

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.

Мо 5. 3. Дорожинський Г.В., Ушенін Ю.В., Самойлов А.В., Христосенко Р.В., Громовой Ю.С., Зиньо

С.А. Маслов В.П. Прилад для аналізу біохімічних середовищ, патент України на корисну модель Мо 76774 від 10.01.2013, бюл. Мо1.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

   Спосіб виготовлення чутливого елемента сенсора поверхневого плазмонного резонансу, за яким на поверхню полірованої скляної підкладки наносять плівку хрому і плівку золота, що нанесена на плівку хрому, який відрізняється тим, що виготовлений чутливий елемент з боку скла сканують сфокусованим до діаметра 2-4 мм лазерним випромінюванням потужністю 200-

   500 мВт з довжиною хвилі з діапазону 808...1064 нм зі швидкістю сканування 2-4 мм/с.