ППР-ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АНАЛИЗА БИООРГАНИЧЕСКИХ СРЕД

ППР-ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДЛЯ АНАЛИЗА БИООРГАНИЧЕСКИХ СРЕД
Рыхлицкий С. В., Кручинин В. Н., Спесивцев Е. В., Швец В. А.
Институт физики полупроводников СО РАН, Новосибирск
В современной биоорганической химии крайне актуальной задачей
является совершенствование и упрощение методов оценки малых концентраций
органических соединений, макромолекул, макромолекулярных комплексов,
различных клеточных элементов, как в жидких средах, так и при адсорбции их
на поверхности твердых тел. Это важно как для научных исследований, так и
для развития современных нанобиотехнологий.
В этом отношении одним из многообещающих является подход,
основанный на анализе отраженного поляризованного света в условиях наличия
поверхностного плазмонного резонанса (ППР) при полном внутреннем
отражении [1]. Это обеспечивает беспрецедентно высокую чувствительность к
особенностям
состояния
пограничной
фазы
на
поверхности
и
в
приповерхностной области нанослоев металла, в качестве которой могут
выступать растворы биоорганических молекул или их нанослои [2].
Известно, что на спектральное положение максимума плазмонного
резонанса влияет не только химическая природа тонкой металлической пленки,
но и оптические характеристики нижележащего субстрата, что создает
предпосылки для точной и весьма чувствительной оценки концентраций
различных субстратов в биологических жидкостях и может быть использовано
как в диагностических целях, так и для развития нанобиотехнологий.
В последнее время для исследования особенностей отраженного
поляризованного света вблизи условий наблюдения ППР все чаще используется
эллипсометрия, как метод, позволяющий с высокой точностью измерять
параметры отраженного поляризованного света и определять далее оптические
характеристики отражающей системы [3].
В
рамках
включающий
данной
работы
создан
быстродействующий
измерительный
одноволновый
ППР-комплекс,
эллипсометр
и
измерительную систему, имеющую в своем составе ППР-ячейку, систему
напуска и циркуляции пробы и систему термостатирования. Данный комплекс
позволяет:
1. проводить анализ отраженного поляризованного света вблизи условий
наблюдения ППР;
2. проводить мониторинг оптических характеристик биоорганических сред
во времени с высокой чувствительностью и скоростью;
3. исследовать оптические характеристики биоорганических сред в
широком диапазоне температур.
Схема ППР комплекса представлена на рис.1. Быстродействующий
эллипсометр состоит из поляризующего плеча Р и анализирующего плеча А
соединенного с персональным компьютером через порт USB. В качестве
источника излучения в эллипсометре использован Не-Ne лазер с рабочей
длиной волны света 632.8 нм. Быстродействие эллипсометра составляет не
более 1 мс, что позволяет исследовать с его помощью быстропротекающие
процессы в биоорганических средах. Такое высокое быстродействие в системе
достигается за счет использования статической схемы, в которой отсутствует
вращение элементов во время измерения и модуляция сигнала.
Измерительная ячейка состоит из призмы 1 (стекло ТФ-10), имеющей
посредством иммерсионной жидкости контакт со стеклянной пластиной 2
(стекло
ТФ-10).
Пластина
2
представляет
собой
верхнюю
крышку
измерительной ячейки 3, через которую осуществляется циркуляция жидкости
с помощью перистальтического насоса 5. На пластину 2 с помощью вакуумного
термического распыления последовательно наносятся слои титана (10 нм) и
золота (40 нм). Основной объем анализируемой жидкости (10-30 мл)
помещается
в
буферную
емкость
4,
которая
размещена
в
системе
термостатирования 6. В эту емкость с помощью системы напуска 7
осуществляется ввод биоорганических объектов.
Р
А
USB
РС
Рис. 1. Схема ППР комплекса.
Для управления прибором разработано оригинальное программное
обеспечение, написанное на языке Delphi в среде Windows, которое позволяет
реализовать различные режимы измерения, проводить анализ и моделирование
измеренных данных и включает обширную базу данных по полупроводниковым
и диэлектрическим материалам.
При попадании луча света на нижнюю границу, разделяющую
металлическую пленку и жидкость происходит резонансное поглощение света в
слое металла, обусловленное взаимодействием света с электронным газом
металла и известное в научной литературе как поверхностный плазмонный
резонанс. Условие наблюдения ППР в спектре записывается следующим
образом.
n  sin  0

 met   env.
 met   env.
(1),
где 0 – значение угла падения луча света на образец, n – показатель
преломления материала призмы. met. и env. – константы диэлектрической
проницаемости для металла и жидкой среды в приповерхностном слое
соответственно.
Изменение оптических характеристик приповерхностного слоя жидкости
при
вводе в нее биоорганических объектов приводит к изменению
спектрального положения максимума поглощения ППР. При увеличении
показателя
преломления
длинноволновую
часть
максимум
спектра,
поглощения
что
ППР
приводит
сдвигается
к
в
изменению
эллипсометрических углов  и . Имея предварительно измеренную
зависимость эллипсометрических углов  и  от угла падения 0 вблизи
условий наблюдения ППР можно далее по уравнению (1) оценить величину
изменения эффективного показателя преломления приповерхностного слоя.
Оценки показывают, что при чувствительности эллипсометра равной 0.01
можно фиксировать изменения показателя преломления ~0.000001 вблизи
условий наблюдения ППР. Такая чувствительность позволит наблюдать очень
малые концентрации биоорганических объектов в растворе и при адсорбции их
на поверхности металлического слоя.
Это может сыграть решающую роль при определении минимальных
концентраций
специфических
маркеров
распространенных
заболеваний,
концентраций обычных диагностически значимых органических соединений,
макромолекул,
элементов,
макромолекулярных
качественной
и
комплексов,
количественной
различных
детекции
клеточных
специфических
нуклеиновых кислот (продукты ПЦР, неамплифицированные молекулы ДНК и
РНК), субфракций липопротеидов сыворотки крови, что имеет важнейшее
значение для ранней диагностики риска сердечно-сосудистых заболеваний.
Литература
1. Kretschmann E., Raether H. Naturforschung, 1968, V.123, P.2135.
2. Stewart C.E., Hooper I.R., Sambles J.R. J.Appl.Phys., 2008, V.41, P.105408.
3. Zhao J., Zhang X., Yonzon C.R., Haes A.J., Van Duyne R.P. Nanomedicine,
2006, V.1(2), P. 219.