НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

САМОЙЛОВ АНТОН ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 535.394

539.233

ВИКОРИСТАННЯ БІМЕТАЛЕВИХ ШАРІВ І ПЛАНАРНИХ ДІЕЛЕКТРИЧНИХ СТРУКТУР В ОПТОЕЛЕКТРОННИХ СЕНСОРАХ

01.04.01 – Фізика приладів, елементів і систем

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики напівпровідників

Національної Академії Наук України

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор

Ширшов Юрій Михайлович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України

завідувач відділом функціональної оптоелектроніки

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Фекешгазі Іштван Вінцийович,

Інститут фізики напівпровідників НАН України,

завідувач відділом нелінійних оптичних систем

доктор фізико-математичних наук, професор кафедри оптики Шайкевич Ігор Андрійович

Київський державний університет ім. Т.Шевченко

Провідна установа Інститут фізики НАН України,

відділ нелінійної оптики

Захист відбудеться “ 15 ” листопада 2002 р. о 1615 год.

на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.199.01

в Інституті фізики напівпровідників НАН України

за адресою 03028, Київ–28, проспект Науки, 45

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики напівпровідників НАН України (03028, Київ-28, проспект Науки, 45).

Автореферат розісланий “ 15 ” жовтня 2002 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

кандидат фізико-математичних наук Охріменко О.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Повне внутрішнє відбиття світла, та його хвильоводне розповсюдження в тонких світловодах супроводжується наявністю електромагнітного поля, що виходить за площину віддзеркалення, але не створює світлового променя. Таке електромагнітне поле має назву затухаючого. Його основною особливістю є експоненційне затухання в бік оточуючого середовища з довжиною затухання менше ніж половина довжини хвилі (для видимого світла - долі мікрометрів). Це останнім часом привертає увагу дослідників з точки зору отримання фізичної інформації про поляризовність вказаного шару, яка аддитивно складається з поляризовності власне однорідного зовнішнього середовища та тонкого молекулярного шару, що формується зазвичай на межах розподілу. Саме чутливість затухаючої хвилі до молекулярних адсорбованих шарів привертає останнім часом увагу з точки зору створення нових неруйнівних фізичних методик для аналізу низки фізичних, хімічних та біологічних ефектів на поверхні оптичних сенсорів та аналітичних пристроїв.

Указаний ефект уже використовується в деяких хімічних та біологічних сенсорах, які знайшли широке застосування в таких галузях людської діяльності як фармакологія, медицина, виробництво продуктів харчування, контроль навколишнього середовища і сільське господарство. Тут в основному він використовується для визначення концентрації хімічних і біологічних речовин у різних середовищах. Створення нового покоління аналітичних засобів у вигляді оптоелектронних біосенсорів становить вельми перспективний напрям сучасного приладобудування. На протязі останніх років з’явилося два журнали та кілька міжнародних конференцій присвячених саме цьому напряму.

Принцип роботи таких сенсорів полягає в тому, що чутливий матеріал (тобто система рецепторних центрів) закріплюється на поверхні сенсора. В випадку наявності молекул аналіту, що є комплементарними до рецептору, виникає специфічний зв’язок між молекулою-рецептором та молекулою-аналітом. В результаті збільшується маса адсорбованої речовини, що змінює поляризовність приграничної області та реєструється оптичним шляхом - по зсуву кута плазмон-поляритонного резонансу, або стану поляризації ортогональних хвильоводних мод. У такий спосіб можна знайти в пробі наявність антитіл до токсинів, вірусів і бактерій, проконтролювати якість їжі чи фармацевтичної сировини.

Подальший розвиток указаних оптоелектронних біосенсорів може бути прискорений за рахунок пропозиції нових фізичних ідей, які можуть призвести до підвищення таких параметрів оптоелектронних біосенсорів як чутливість, надійність, технологічність виготовлення та простота користування.

Такими фізичними ідеями є 1) використання складних багатошарових металевих плівок для формування бажаної форми кривої плазмон-поляритонного резонансу у приладах на базі ефекту поверхневого плазмонного резонансу (ППР) та 2) використання двох незалежних поляризацій хвильоводної моди в одному і тому ж планарному діелектричному хвильоводі для виключення необхідності створення окремого референсного каналу в планарних світловодах. На момент постановки роботи в літературі були повністю відсутні відомості про використання багатошарових плазмонпідтримуючих металевих структур та взаємозв’язок співвідношення їх товщин та поляризовностей на форму резонансної кривої. Також не було проаналізовано взаємозв’язок між константами розповсюдження ортогональних поляризацій хвильоводних мод поляризаційного інтерферометру та поверхневою адсорбцією молекул. Не вивчено вплив способів вводу-виводу випромінювання в хвильовод на чутливість планарного інтерферометру.

Розглянемо більш детально запропоновані ідеї. В останнє десятиліття одержав розвиток метод ППР, що використовує вимір точної позиції кута плазмонного резонансу в приладах з монохроматичним променем.

Використання оптичного ефекту ППР у тонких металевих плівках, як основного фізичного явища для перетворення відгуку чутливого матеріалу на зміну складу навколишнього середовища, уже привело до створення чутливих і швидкодіючих фірмових приладів (Biacore, Pharmacia Biosensor, Affinity Sensors) для контролю взаємодій біологічних молекул, де кількість необхідного для вимірів матеріалу складає мікролітри і десятки мікролітрів. Останнє особливо важливо при дослідженні генного матеріалу, оскільки він не може бути отриманий у великих кількостях.

Проте, потенціал ефекту ППР в області створення надчутливих біосенсорів далеко не вичерпаний. Це зв'язано з недостатнім дослідженням проблеми оптимального вибору металу – носія поверхневих поляритонів з погляду досягнення максимальної чутливості і хімічної інертності робочої поверхні біосенсора на основі ППР. Так застосування срібних плівок у порівнянні з іншими металами (Ag, Au, Cu, Al) дає можливість одержати найбільш вузький мінімум ППР, що відповідає максимальній точності визначення кута мінімуму. Проте у водних середовищах, де здебільше і працюють біосенсори, срібло не є стабільним. З цього погляду застосування плівок золота як робочого елементу біосенсора є більш привабливим. Однак для золота характерна відносно велика напівширина резонансної кривої, що зменшує точність визначення кута. Ідея комбінації двох шарів - золота та срібла для отримання більш оптимального відгуку потребує вивчення впливу саме двошарових металевих систем на вигляд кутового спектру ППР. Для цього необхідно виконати математичне моделювання та провести експериментальні дослідження цього ефекту.

Іншим класом оптоелектронних біосенсорів є інтерферометричні прилади. Теоретично вони є рекордними по чутливості серед оптичних методів реєстрації тонких змін показника заломлення рідкого середовища чи адсорбованих шарів молекул на поверхні діелектрика. Перевагою біологічних і хімічних сенсорів такого типу є можливість практично необмеженого підвищення чутливості за рахунок збільшення довжини активної області, де відбувається взаємодія електромагнітної хвилі з середовищем, що поляризується.

Типовий інтерферометричний сенсор містить два чи більшу кількість хвилеводних каналів. Звичайно використовується один вхідний промінь світла, який розбивають на два промені, які спрямовані через два різних хвилеводних канали і далі знову об’єднуються. Фазові зміни хвильоводної моди в робочому каналі відбуваються внаслідок взаємодії чутливого шару з аналітом та реєструються фотоприймачем.

Такі оптичні біосенсори забезпечують високу чутливість і можуть бути зроблені маленьких розмірів. Проте суттєвим недоліком сенсорів такого типу є необхідність забезпечення кількох оптичних шляхів, складних оптичних розщеплювачів та об’єднувачів, недостатні відомості про деталі взаємодії адсорбованих молекулярних шарів та констант розповсюдження хвильоводних мод р- та s-поляризацій. Тому в роботі запропоновано ідею використання окремо р- та s- поляризацій як робочого та референтного каналів відповідно в одному і тому ж геометричному просторі. Для цього необхідно запропонувати методику комп’ютерного моделювання цього фізичного ефекту, провести розрахунки та експериментальні дослідження та запропонувати шляхи подолання фізичних обмежень при застосування таких приладів як біосенсорів та хімічних сенсорів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Представлена в дисертації робота була виконана в Інституті фізики напівпровідників НАН України з 1996 по 2002 роки в рамках проекту "`Розробка нових методик атестації та сертифікації оптоелектронних та мікроелектронних біосенсорів із застосуванням растрової електронної мікроскопії та рентгенівської фотоелектронної спектроскопії". (Розпорядження Кабінету Міністрів України від 16.05.96 №9918/97 у рамках державної науково-технічної програми “Розробка науково-технічних методів, засобів і автоматизованих систем контролю параметрів напівпровідникових матеріалів, структур і приладів”, що реалізовано Постановою Мінекономіки України від 22.05.96 №12-55/115) і в рамках проекту "Розробка та виробництво хвильоводних біосенсорних масивів для широкої діагностики специфічних молекулярних взаємодій у живому організмі та функціональних особливостей лікарських препаратів. Розробка та виробництво оптоелектронних біосенсорів на базі плазмонного резонансу та хвилеводних структур" (Ухвала Кабінету Міністрів України від 30 серпня 1999 р. № 1584 у рамках науково-технічної програми “Проекти розвитку високих технологій напівпровідникових матеріалів, оптоелектронних приладів та сенсорних інтелектуальних систем”).

Метою дисертаційної роботи є подальші дослідження взаємозв’язку між параметрами чутливих шарів твердотільних оптоелектронних біосенсорів та інформативним відгуком останніх на зміну оточуючого середовища, створення фізичних та математичних моделей для адекватної оцінки чутливості приладних пристроїв та їх експериментальна перевірка.

Реалізація поставленої мети вимагала рішення таких задач:

1. Модифікація фізичної моделі, створення програмного забезпечення для математичного моделювання констант розповсюдження хвильоводних мод в шаруватих діелектричних структурах та біметалічних структурах.

2. Отримання масиву даних про вплив співвідношення товщин та комплексних діелектричних сталих біметалевих шарів на кутову залежність ефекту ППР. Пропозиція фізичної моделі впливу кожного з металевих шарів на відгук приладної структури. Дослідження існування оптимальних співвідношень товщин системи золото-срібло з точки зору чутливості пристрою.

3. Проведення експериментальної перевірки результатів моделювання, визначення реальної чутливості пропонованої системи в порівнянні з існуючими в режимі рефрактометра. Створення хімічного сенсора хлористого водню на базі біметалічного шару та електрополімерізованої плівки поліаніліну.

4. Отримання масиву даних щодо впливу геометричних розмірів діелектричних шарів на чутливість планарного поляризаційного інтерферометру (ППІ).

5. Створення планарного поляризаційного інтерферометру. Дослідження фізичних обмежень щодо вводу-виводу випромінювання, оптимізація процесів виготовлення ППІ.

6. Експериментальна перевірка запропонованого пристрою як рефрактометра та біосенсора на прикладі адсорбції модельних білків: фібріногена й антитіл до нього і різних типів імуноглобулінів. Визначення граничних можливостей, пропозиції щодо використання в науковому приладобудуванні та біології.

Об'єктом дослідження є два типи перетворювачів, що працюють на ефекті проникнення електромагнітної хвилі в середовище: 1) багатошарова структура з тонкими плівками Ag-Au - молекулярна плівка при повному внутрішньому відбитті; 2) планарна багатошарова хвилеводна структура кремній – двоокис кремнію – нітрид кремнію – фосфоросілікатний шар.

Предмет дослідження - характеристики біметалічного ППР перетворювача при різних співвідношеннях і комбінаціях складаючих його шарів золота і срібла в результаті зміни показника заломлення зовнішнього середовища а також у результаті формування на його поверхні молекулярних шарів; характеристики поляризаційного інтерферометра на основі планарного хвилеводу при різних технологічних методах його виготовлення а також при його роботі в режимі рефрактометра і біосенсора.

Застосовано такі методи дослідження, як: кутова спектроскопія ППР у повітряному і рідкому середовищах, атомно-силова мікроскопія, дифракція рентгенівського випромінювання, спектральні виміри пропускання / відбиття при різних кутах падіння, виміри індикатриси розсіяного світла, еліпсометрія, рефрактометрія.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

1. Запропоновано методику розрахунку хвилеводних мод у багатошарових структурах у припущенні справедливості використання матриці розсіювання для розрахунків коефіцієнтів відбиття і пропущення усередині стопи пластинок. Проведено комп'ютерне моделювання чутливості s- p- фазового відгуку при зміні показника заломлення зовнішнього середовища.

2. Показано, що застосування біметалевих шарів як носіїв плазмонного резонансу дозволяє керувати шириною плазмонного мінімуму і формою кривої поверхневого плазмонного резонансу за рахунок введення нижнього шару з більш високим значенням уявної частини комплексного показника заломлення, що дозволяє оптимізувати характеристику відгуку біосенсора на основі ППР і зменшити середньоквадратичний шум принаймні в два рази.

4. Створено новий оптичний прилад - планарний поляризаційний інтерферометр на основі багатошарової структури кремній – двоокис кремнію – нітрид кремнію – фосфоросілікатний шар. Проведено фізичний аналіз його обмежень і здійснена оптимізація основних параметрів сенсора. Запропоновано технологічний шлях реалізації приладу.

5. Показано, що випромінювання, яке виходить з ППІ, має значну розбіжність, що обумовлено дифракційними ефектами. Показано, що область постійної поляризації вихідного променя складає 10 щодо площини планарного хвилеводу.

6. Продемонстровано рекордну чутливість ППІ як біосенсора, що дозволяє реєструвати молекулярні покриття порядку величини 1-2 пг/см2, або 10000 молекул, см2. Отримані результати вимірів адсорбованих білкових молекул на поверхні нітриду кремнію збігаються з відомими з літератури даними, що свідчить про адекватність показань приладу.

Практичне значення отриманих результатів полягає в наступному:

1.

2.

Особистий внесок здобувача полягає у створенні автоматизованих фізичних пристроїв для проведення дослідів над багатошаровими структурами, виконанні експериментів, обговоренні та пропозиції фізичних моделей та математичних алгоритмів, оформленні результатів. На основі сучасного програмного забезпечення було проведене чисельне опрацювання результатів і моделювання властивостей об'єктів. Постановку задачі та інтерпретацію результатів проведено у творчому співробітництві зі співавторами наукових праць (Інститут фізики напівпровідників НАНУ, Universitat Regensburg, Institut fur Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik, 93040 Regensburg, Germany).

Апробація результатів роботи. Матеріали, що ввійшли в дисертацію, доповідалися й обговорювалися на: Всеросійській конференції з міжнародною участю Сенсор 2000 (Санкт-Петербург, 2000); Proceedings of SPIE, Optoelectronic Information Technologies 4425 (2000).

Публікації. У дисертаційній роботі представлені наукові результати, опубліковані в 9 роботах, у тому числі: 5 - у міжнародних журналах, 1 - у матеріалах міжнародних конференцій, 1 - у тезах міжнародних конференцій, 2 патенти на винаходи (Україна).

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків і списку використаної літератури, що містить 109 найменування робіт. Роботу викладено на 151 сторінках машинописного тексту, який включає 46 рисунків і 7 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, подано інформацію про апробацію роботи і публікації автора, а також коротко викладено зміст дисертації по розділах.

У першому розділі проведено огляд літературних даних, присвячених оптоелектронним біологічним і хімічним сенсорам. Розглянуто сенсори на основі інтерферометрів різних типів і на основі ефекту поверхневого плазмонного резонансу, проаналізовані їхні достоїнства і недоліки з погляду простоти, вартості виготовлення і чутливості. Розглянуто особливості поширення світла в шаруватих планарних структурах. Розглянуто відбиття і пропущення плоскої світлової хвилі, що похило падає на плоску межу розподілу між двома напівнескінченними однорідними оптично ізотропними середовищами з комплексними показниками заломлення. Розраховано френелівські коефіцієнти відбиття і пропущення по комплексній амплітуді для p- і s- поляризацій. Розглянуто випадок, коли поляризоване світло відбивається від багатошарової плівки. Для дослідження відбиття і пропущення поляризованого світла багатошаровою плівкою, розташованої між напівнескінченними середовищем і підкладкою, при похилому падінні використовувалася 2 Х 2 матриця. Були розраховані вираження для матриць, що характеризують межу розподілу між двома шарами. Були розраховані вираження для матриць, що характеризують тільки шар визначеної товщини. Було отримане вираження для матриці розсіювання, що описує загальні властивості відбиття і пропущення світла шаруватою структурою. Матрицю розсіювання є добутком матриць меж розподілу і матриць шарів, що описують вплив окремих шарів і меж розподілу у всій шаруватій структурі.

В другому розділі продемонстровано підвищення чутливості методу поверхневого плазмонного резонансу шляхом використання біметалічних шарів-носіїв плазмонного резонансу. Проаналізовано умови появи на границі розподілу кристала з зовнішнім середовищем поверхнево-локалізованих нормальних мод, тобто колективних збуджень, що у випадку металів формують у поверхні хвилеподібне збурювання зарядової щільності - поверхневий плазмон. Розглянуто механізми збудження поверхневих поляритонів на поверхнях напівпровідників і діелектриків. Була вирішена задача збільшення чутливості і точності сенсора, що використовує ефект поверхневого плазмонного резонансу при збереженні його стабільності завдяки використанню біметалічного робочого елемента. Було виявлено, що виконання робочого елемента у виді двошарової металевої плівки срібло – золото, нанесеної на призму внутрішнього відбиття (Рис.1.), приводить до зменшення напівширини резонансної кривої і підвищенню точності визначення її мінімуму. У той же час зберігається висока чутливість до зміни показника заломлення досліджуваної проби. Було проведено математичне моделювання чутливості біосенсора на основі ППР з урахуванням зсуву мінімуму ППР і напівширини резонансної кривої для біметалевих плівок – носіїв поверхневих поляритонів з різними співвідношеннями товщин шарів золота і срібла. Були зроблені висновки про вплив складу біметалічної плівки на чутливість біосенсора на основі ППР. Експериментально були перевірені теоретичні висновки про переваги біметалічних робочих елементів на основі ППР. Було вивчено вплив зміни показника заломлення зовнішнього середовища на кутове положення мінімуму резонансної кривої, отриманої на різних робочих елементах оптичного сенсора. Було показано, що відгук приладу на зміну показника заломлення зовнішнього середовища з уведенням плівки срібла під шар золота зменшується незначно. У сукупності з істотним зменшенням напівширини резонансної кривої при введенні підшару срібла, це свідчить про досягнуте збільшення чутливості приладу. Були розраховані значення шумів, отримані експериментально для різного складу біметалічної плівки. Показано, що шуми істотно зменшуються з уведенням підшару срібла.

У третьому розділі біметалеві шари - носії плазмонного резонансу були використані для створення сенсора парів HCl на основі електрополімеризованих плівок поліаніліну (ПАНІ). Проведено аналіз наявних на даний час сенсорів HCl, показані переваги сенсора HCl, заснованого на ефекті ППР. Описано експериментальне одержання електрополімерізованих плівок поліаніліну на поверхні золотого чіпа. Для одержання кількісних параметрів (товщини, показника заломлення і коефіцієнта екстинкції) досліджуваної системи була застосована процедура припасування експери-ментальної і теоретичної кривих. Теоретичні залежності розраховувалися в припущенні, що система, що відбиває, складалася з двох напівнескінченних середовищ і трьох тонких шарів - срібла, золота і полімеру, кожний з який може бути описаний трьома параметрами - товщиною d, показником заломлення n і коефіцієнтом екстинкції k. Якість збігу двох кривих оцінювалася за мінімальним значенням цільової функції. Показано відповідність між розрахованими значеннями і значеннями параметрів плівок ПАНІ, отриманими іншими авторами. Було вивчено вплив адсорбції парів HCl на положення мінімуму ППР-кривої. Була досліджена кінетика зсуву ППР мінімуму (Рис.2.) і побудована концентраційна залежність відгуку ППР на адсорбцію в плівку ПАНІ молекул HCl. Оцінено вплив адсорбції молекул НС1 на параметри плівки ПАНІ. Показано, що запропонований сенсор здатен зареєструвати концентрацію НС1 на рівні 2-5 ррм, що є достатнім для реєстрації гранично допустимих рівнів цієї токсичної домішки.

У четвертому розділі запропоновано конструкцію інтерферометричного сенсора на основі планарного поляризаційного інтерферометра (ППІ). В основі ППІ лежить світловодна структура, виконана на кремнієвій пластині, де методами кремнієвої технології сформований буферний шар термічного двоокису кремнію ( d=1.2 мкм, n=1.46), хвилеводний шар нітриду кремнію (d=0.2 мкм, n = 2.0) і покривний шар фосфоросілікатного скла ( d=1.5 мкм, n=1.51). Площа світловодної структури складала 10х12 мм.

Пучок плоскополяризованого світла з азимутом 45° щодо площини зразка направлявся на вхідний торець світловодної структури. Проходячи через ділянку світловода без покривного шару обидва промені взаємодіють з аналізованим середовищем і зсовуються по фазі друг щодо друга, утворюючи на виході еліптично поляризований промінь. Плівковий поляризатор, схрещений з падаючою хвилею, скляний світловод діаметром 0.5 мм і фотопомножувач завершують оптичний тракт (Рис.3.)

Розглянуто фізичний принцип дії пристрою. Приведено залежність інтенсивності світла, що минає ППІ як функцію параметрів хвилеводу, підкладки, а також параметрів мікрокомірки і її вмісту, тобто її довжини L у напрямку поширення світла і показника заломлення досліджуваної речовини.

Проведено оптимізацію запропонованої конструкції інтерферометричного сенсора на основі планарного поляризаційного інтерферометра. Проведено аналіз оптико-механічних особливостей планарних поляризаційних інтерферометрів для застосування в якості біосенсорів. Експериментальні дослідження шести способів механічної обробки вхідного вікна світловода показали, що найбільша кількість світлової енергії, що вводиться, забезпечує розколювання кремнієвої пластини по лінії спайності, скрайбування зі зворотної сторони й оптимізоване плазмохімічне травлення через маску фоторезисту.

Оптимальними умовами для уведення випромінювання виявилося безпосереднє освітлення вхідного торця світловодної структури променем лазера, а реєстрація випромінювання, що вийшло, вимагає широкоапертурної оптичної системи. Були вивчені особливості поширення світла в планарних хвилеводах з витравленої вимірювальною коміркою і без неї. Було проведено вимір еліптичності вихідного світлового променя в залежності від кута реєстрації. Показано, що планарна світловодна структура не вносить перекручувань у параметри лінійної поляризації випромінювання – як ТЕ, так і ТМ моди не змінюють своєї поляризації. Однак фазові співвідношення між ними виявляються залежними від кута реєстрації (Рис.4.). Так, промені близькі до площини приладу мають однорідну еліптичність у діапазоні 5...7 градусів, у той час як при збільшенні кута еліптичність істотно змінюється. Були запропоновані шляхи підвищення чутливості біосенсора на основі ППІ.

У п'ятому розділі розглянуто вплив зміни показника заломлення зовнішнього середовища й осадження органічних шарів на сигнал поляризаційного планарного інтерферометра. Вивчено вплив на сигнал ППІ травлення мікрокомірки. Зроблено висновки щодо характеру цього процесу. Було вивчено вплив зміни показника заломлення рідини на сигнал ППІ що досягалося зміною дистильованої води і слабкого розчину солі. Показано можливість використання запропонованого сенсора на основі ППІ як рефрактометра. Було зроблене дослідження впливу адсорбції молекулярних шарів на сигнал ППІ і показана придатність використання приладу в якості біосенсора. Для цього використовувалися модельні білки фібриноген і антитіла до нього і різні типи імуноглобулінів (ІГ)(Рис.5.).

Було досліджено вплив товщини покривного шару на константу поширення й адсорбційну чутливість хвилеводної моди в сердечнику. Проведено комп'ютерне моделювання відгуку ППІ на адсорбцію молекулярних шарів. Виходячи з кінетичних кривих адсорбції фібриногену на поверхню нітриду кремнію, були знайдені значення максимального покриття і коефіцієнта асоціації. Зроблено висновки про механізми закріплення біологічних молекул на поверхні нітриду кремнію і зв'язування молекул фібриногену з антитілами.

ВИСНОВКИ

1. Уперше проаналізовано поводження біметалевих плівок як середовищ-носіїв плазмон-поляритонних коливань. Вивчено вплив оптичних параметрів біметалевого шару на форму кривої ППР. Внаслідок розрахунків показано, що введення шару з більш високою електропровідністю під золотий робочий елемент біосенсора на основі ППР приводить до звуження мінімуму ППР.

2. Експериментально визначено вплив композиції двошарових плівок на чутливість методу ППР, доведено, що застосування комбінованих плівок зменшує шум при визначенні кута ППР з 10 кутових секунд до 5 кутових секунд.

3. Створено сенсор молекул НС1 на основі біметалевих плівок як середовищ-носіїв плазмон-поляритонних коливань. Виявлено вплив адсорбції молекул НС1 на кутове положення мінімуму кривої ППР, зсув якого може досягати 60 кутових секунд. Оцінено граничну чутливість методу ППР для реєстрації молекул НС1, яка склала 10 ррм, що дозволяє застосовувати сенсор в екологічних цілях.

4. Запропоновано новий тип біосенсора на основі планарного поляризаційного інтерферометра, проведено оптимізацію його конструкції.

5. Досліджено кутовий розподіл інтенсивності і ступеня поляризації світлового випромінювання, що вийшло з планарного інтерферометра. Розподіл інтенсивності має гаусову форму, що може змінювати свою форму і відхилятися від площини хвилевода; поляризація випромінювання, що вийшло з планарного інтерферометра залежить від кута реєстрації, що є важливим для практичних застосувань.

6. Експериментально продемонстровано вплив товщини покривного шару на константу поширення й адсорбційну чутливість s- та p- поляризацій в сердечнику ППІ, отримані розрахункові номограми для визначення товщини і показника заломлення адсорбційного шару в ППІ.

7. Сенсор на основі планарного поляризаційного інтерферометра протестовано у якості рефрактометра і біосенсора на прикладі неспецифічної сорбції на поверхню нітріду кремнію бичачого сироватного альбуміну і специфічного зв’язування його з комплементарним імуноглобуліном, а також специфічного та неспецифічного зв’язування фібріногену та антитіл до нього.

СПИСОК РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ширшов Ю.М., Свечников С.В., Кияновский А.П., Ушенин Ю.В., Венгер Е.Ф., Самойлов А.В. Биосенсор на основе планарного поляризационного волновода // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 1998. – № 33. – С.44-51.

2. Shirshov Yu.M., Svechnikov S.V., Kiyanovskii A.P., Ushenin Yu.V., Venger E.F., Samoylov A.V., Merker R. A sensor based on the planar-polarization interferometer // Sensors and Actuators A. – 1998. – Vol.68 – Р.384-387.

3. Пат. 46018 Україна, МПК G 01N 21/55. Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення / Ширшов Ю.М., Венгер Є.Ф., Прохорович А.В., Ушенін Ю.В., Мацас Є.П., Чегель В.І., Самойлов А.В.; Бюл. № 5; Заявл. 22.10.1997; Опубл. 15.05.2002

4. Ширшов Ю.М., Кияновский А.П., Ушенин Ю.В., Венгер Е.Ф., Самойлов А.В., Снопок Б.А., Меркер Р. Оптимизация конструкции планарно-поляризационного интерферометра // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. – 1999 – № 34. – С.170-177.

5. Samoylov A.V., Lysenko S.I., Snopok B.A., Shirshov Yu.M. Integrated optical sensor based on planar polarization interferometer: analysis of angular distribution of polarization degree of outcoming light // Proc. of SPIE, Optoelectronic Information Technologies 4425 – 2000. – р.170-176.

6. Ширшов Ю.М., Венгер Е.Ф., Самойлов А.В., Снопок Б.А., Тележникова О.А. Биосенсоры на основе планарно-поляризационного интерферометра // Труды Всеросийской конф. с междунар. Участием “Сенсор 2000” – Санкт-Петербург. – 2000. – С.109.

7. Shirshov Yu.M., Snopok B.A, Samoylov A.V., Kiyanovskii A.P., Venger E.F., Nabok A.V., Ray A.K. Analysis of the response of planar polarization interferometer to molecular layer formation: fibrinogen adsorption on silicon nitride surface // Biosensors and Bioelectronics – 2001. – Vol.16 – P.381-390.

8. Пат. 46512 Україна, МПК G01N21/55, G01N33/553, G01N33/543. Детектор поверхневого плазмонного резонансу / Ширшов Ю.М., Самойлов А.В., Зиньо С.А., Суровцева Е.Р.; Бюл. № 5; Заявл. 31.07.2001; Опубл. 15.05.2002.

9. Shirshov Yu.M., Samoylov A.V., Zinyo S.A., Surovceva E.R., Mirskiy V. Bimetallic Layers Increase Sensitivity of Affinity Sensors Based on Surface Plasmon Resonance // Sensors – 2002.– Vol.2, – 62-70 www.mdpi.net/sensors.

АНОТАЦІЯ

Самойлов А.В. Використання біметалевих шарів і планарних діелектричних структур в оптоелектронних сенсорах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 - фізика приладів, елементів і систем. - Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2002.

Робота присвячена дослідженню фізико-хімічних процесів на межі поділу тонкої металевої плівки з газовим чи рідким середовищем з метою оптимізації характеристик біосенсора, що базується на ефекті оптичного резонансного збудження поверхневої електромагнітної хвилі в тонкій металевій плівці при повному внутрішньому відбитті.

Досліджено проблему оптимального вибору металу – носія поверхневих поляритонів з погляду досягнення максимальної чутливості і хімічної інертності робочої поверхні біосенсора на основі ППР. Проаналізовано поводження багатошарових металевих плівок як середовищ-носіїв плазмон-поляритонних коливань. Вивчено вплив оптичних параметрів багатошарового металевого шару на форму кривої ППР. Було показано, що застосування біметалічних плівок срібла-золота дозволяє здійснити припасування основних параметрів ППР-кривої - кутове положення і напівширину плазмонного мінімуму незалежно.

Створено сенсор парів НС1 на основі ППР.

Запропоновано новий тип біосенсора на основі планарного поляризаційного інтерферометра який використовує проникливість електромагнітної хвилі в зовнішнє середовище.

Проведено оптимізацію конструкції біосенсора на основі ППІ.

Оптимізована конструкція біосенсора була протестована в якості рефрактометра та імуносенсора.

Ключові слова: поверхневий плазмонний резонанс, біметалева плівка, планарний поляризаційний інтерферометр, адсорбція, біохімічний сенсор.

SUMMARY

Samoylov A.V. Employment of bimetallic layers and planar dielectric structures in optoelectronical sensors. – Manuscript.

Thesis for a candidate degree in physics and mathematics by speciality 01.04.01.- physics of devices, elements and systems. – Institute of Semiconductor Physics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2002.

The work is devoted to investigations of physical and chemical processes taking place at the boundary between a thin metal film and gas or liquid media with the purpose of optimization of the characteristics of the biosensor based on effect of optical excitation of a surface electromagnetic wave in a thin metal film at complete internal reflection.

The problem of optimal choice of a carrier material of surface waves from the point of view of reaching maximal sensitivity and unreactiveness of a working surface of the biosensor based on SPR is researched. The behaviour of multilayer metal films as environments - carriers of surface plasmons is parsed. The influence of optical parameters of a multilayer metal film on on the form of a SPR-curve is investigated. Is shown, that the application of bimetallic films silver - gold allows to influence on main parameters of a SPR-curve - angular position of a minimum and shape is independent.

The sensor control of vapours HCl based on SPR is created. The new type of the biosensor based on planar polarization interferometer (PPI), which utillized penetration of an electromagnetic radiation into an external environment is offered. The optimization of a construction of the biosensor based on PPI is carried out. The optimized construction of the biosensor as the refractometer and immunosensor was tested.

Keywords: surface plasmon resonance, bimetallic film, planar polarization interferometer, adsorption, bio-chemical sensor.

АННОТАЦИЯ

Самойлов А.В. Использование биметаллических слоев и планарных диэлектрических структур в оптоэлектронных сенсорах. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 – физика приборов, элементов и систем. – Институт физики полупроводников НАН Украины, Киев, 2002.

Работа посвящена исследованию физико-химических процессов на границе раздела тонкой металлической пленки с газовой и жидкой средой с целью оптимизации характеристик биосенсора, основанного на эффекте оптического резонансного возбуждения поверхнотной электромагнитной волны в тонкой металлической пленке при полном внутреннем отражении.

Впервые проанализировано поведение биметаллических пленок как сред – носителей плазмон-поляритонных колебаний. Изучено влияние оптических параметров биметаллической пленки на форму кривой поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Рассчитано, что введение тонкого подслоя серебра под золотой рабочий элемент биосенсора на основе ППР приводит к уменьшению полуширины резонансной кривой.

Показано, что применение биметаллических пленок серебро-золото позволяет влиять на основные параметры ППР-кривой – угловое положение минимума и форму независимо.

Экспериментально определено влияние композиции двухслойных металлических пленок на чувствительность метода ППР, показано, что применение комбинированных пленок уменьшает шум при определении угла ППР с 10 угловых секунд до 5 угловых секунд.

На поверхности биметаллического рабочего элемента сенсора на основе ППР были путем электрополимеризации получены пленки полианилина (ПАНИ). Во время электрополимеризации угол ППР смещался в сторону меньших углов, что доказывает факт образования на поверхности металла слоя ПАНИ с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления электролита.

Исследовано влияние адсорбции молекул паров HCl на угловое положение минимума ППР-кривой. Сдвиг которой может достигать 60 угловых секунд. Последующая экспозиция в чистом воздухе возвращает минимум ППР-кривой в прежнее положение, однако с каждым циклом накапливается необратимая часть. Показано, что результатом адсорбции молекул HCl является изменение толщины пленки ПАНИ.

Оценено предельную чувствительность метода ППР, использующего биметаллический рабочий элемент, к регистрации молекул HCL, которая составила 10 ppm, что позволяет использовать сенсор в экологических целях.

Предложен новый тип биосенсора на основе планарного поляризационного интерферометра (ППИ). Исследовано влияние способов механической обработки входного окна волновода с точки зрения эффективности введения световой энергии в планарный волновод. Наилучший результат дает скрайбирование кремниевой пластины с обратной стороны с последующей ломкой.

Исследовано угловое распределение интенсивности и степени поляризации светового излучения, вышедшего из планарного интерферометра. Распределение интенсивности имеет в общем случае гауссову форму, которая может деформироваться и отклоняться от плоскости волновода. Поляризация излучения, вышедшего из планарного интерферометра зависит от угла регистрации.

Изучено влияние на выходной сигнал ППИ травления микрокюветы, когда в планарный волновод вводится два луча s- и p- поляризации и в волновод введен только один луч p- поляризации.

Получены интерферограммы в результате замены в измерительной ячейке жидкостей с разными показателями преломления. Проведена оценка чувствительности ППИ как рефрактометра, она составляет 10-6.

Изучено влияние формирование молекулярных слоев на поверхности волновода на выходной сигнал ППИ на примере неспецифической сорбции на поверхность нитрида кремния бычьего сыроваточного альбумина и его специфического связывания комплиментарным иммуноглобулином, который играет роль антитела.

Экспериментально продемонстрировано влияние толщины покровного слоя на константу распространения и адсорбционную чувствительность s- и p- поляризаций в сердечнике ППИ. Получены расчетные номограммы для определения толщины и показателя преломления адсорбированного слоя на рабочую поверхность ППИ.

Проведен анализ отклика ППИ на адсорбцию фибриногена и антител к нему. Исследовано специфическое и неспецифическое связывание фибриногена и антител к нему. Сделаны выводы о механизмах связывания молекул фибриногена с антителами к нему при различных концентрациях. Полученные результаты совпадают с известными из литературы, что доказывает адекватность работы предложенного прибора в качестве биосенсора.

Ключевые слова: поверхностный плазмонный резонанс, биметаллическая пленка, планарный поляризационый интерферометр, адсорбция, биохимичный сенсор.