RU2770648C1

RU2770648C1 - Optical sensor based on plasmon-induced transparency and fano resonances

Info

Publication number: RU2770648C1
Application number: RU2021106099A
Authority: RU
Inventors: Владимир Олегович Окунев
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Микросенсор"
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-04-19

Abstract

FIELD: measuring.SUBSTANCE: use: for measuring small concentrations of molecules in liquid and gaseous media. The substance of the invention consists in the fact that the optical sensor based on plasmon-induced transparency and Fano resonances consists of an optical prism, a layer of a precious metal wherein a surface plasmon is excited, a subsequent separating dielectric layer with a lower refractive index than the refractive index of the prism, a waveguide layer, located behind the separating layer, with a higher refractive index than the separation layer, wherein the layer of a precious metal and, accordingly, the above subsequent layers are applied to separate transparent plate connected with the prism via an immersion liquid with the same refractive index as the prism and the plate, wherein the layers are applied to the side of the plate opposite to the prism.EFFECT: increase in the sensitivity of the apparatus.5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптическим измерительным устройствам, а точнее к датчикам, работающим на основе эффекта плазмонного резонанса, и предназначен для измерения малых концентраций искомых молекул. Прибор может работать как в жидких, так и в газообразных средах. Датчик, в частности, может быть использован для проведения высокочувствительного биохимического анализа, применяемого в медицине, при ранней экспресс-диагностике социально-значимых заболеваний, в фармакологической, нефтяной и газовой промышленности.The invention relates to optical measuring devices, and more specifically to sensors operating on the basis of the plasmon resonance effect, and is intended for measuring low concentrations of the desired molecules. The device can work both in liquid, and in gaseous environments. The sensor, in particular, can be used for highly sensitive biochemical analysis used in medicine, for early express diagnostics of socially significant diseases, in the pharmacological, oil and gas industries.

В настоящее время принцип плазмонного резонанса для регистрации молекул широко используется во всем мире, и уже существует множество зарубежных фирм, выпускающих приборы на основе указанного метода. Метод поверхностного плазмонного резонанса основан на определении показателя преломления анализируемой среды. В большинстве датчиков, использующих данный принцип, за основу работы взят принцип возбуждения поверхностного плазмона по схеме Кречмана: на диагональную грань стеклянной призмы наносится слой благородного металла, в котором оптически возбуждаются колебания газа свободных электронов - плазмоны, резонансная длина волны которых зависит от показателя преломления окружающей металл анализируемой области и проявляется в спектрах отражения в виде провалов оптической мощности. Световое излучение падает на металл со стороны призмы под углом, большим чем угол полного внутреннего отражения. Условием резонансного возбуждение плазмона является равенство касательной к поверхности раздела сред составляющей волнового вектора падающего фотона и вещественной части постоянной распространения поверхностного плазмона. Резонансная длина волны плазмонов (провал в спектре отражения) может быть определена значением угла, соответствующего минимуму отражения при определенной частоте возбуждающего оптического излучения (угловая интеррогация), значением длины волны, соответствующей минимуму отражения при определенном угле падения возбуждающего оптического широкополосного излучения (частотная интеррогация), изменением амплитуды сигнала при постоянной длине волны и угле падения возбуждающего оптического излучения (амплитудная интеррогация), а так же фазой отраженного излучения (фазовая интеррогация). Изменение концентрации искомого вещества в анализируемом растворе приводит к изменению диэлектрической проницаемости прилегающей к поверхности металла среды. В результате изменяются описанные выше условия резонансного возбуждения плазмона на поверхности раздела сред. В частности, изменяется угол, при котором оптическая мощность отраженного излучения достигает минимума. Чаще всего на поверхность металла наносятся специальные молекулы - лиганды, способные селективно связывать из исследуемого раствора искомый белок-аналит. В результате происходит рост поверхностного слоя молекул, прилегающего к металлической пленке, приводящий к изменению показателя преломления поверхностной области, что и вызывает изменение всех характеристик отраженного оптического сигнала. [Климов В.В. Наноплазмоника].At present, the principle of plasmon resonance for registration of molecules is widely used all over the world, and there are already many foreign companies manufacturing devices based on this method. The method of surface plasmon resonance is based on the determination of the refractive index of the analyzed medium. In most sensors using this principle, the principle of excitation of a surface plasmon according to the Kretschmann scheme is taken as the basis of work: a noble metal layer is applied to the diagonal face of a glass prism, in which oscillations of a gas of free electrons are optically excited - plasmons, the resonant wavelength of which depends on the refractive index of the surrounding metal of the analyzed area and appears in the reflection spectra as optical power dips. Light radiation falls on the metal from the side of the prism at an angle greater than the angle of total internal reflection. The condition for resonant excitation of a plasmon is the equality of the component of the incident photon wave vector, tangent to the media interface, and the real part of the surface plasmon propagation constant. The resonant wavelength of plasmons (dip in the reflection spectrum) can be determined by the value of the angle corresponding to the reflection minimum at a certain frequency of the exciting optical radiation (angular interrogation), the wavelength corresponding to the reflection minimum at a certain angle of incidence of the exciting broadband optical radiation (frequency interrogation), a change in the signal amplitude at a constant wavelength and angle of incidence of the exciting optical radiation (amplitude interrogation), as well as the phase of the reflected radiation (phase interrogation). A change in the concentration of the desired substance in the analyzed solution leads to a change in the permittivity of the medium adjacent to the metal surface. As a result, the conditions described above for resonant excitation of a plasmon at the media interface change. In particular, the angle at which the optical power of the reflected radiation reaches a minimum changes. Most often, special molecules - ligands - are applied to the surface of the metal, capable of selectively binding the desired protein-analyte from the solution under study. As a result, the surface layer of molecules adjacent to the metal film grows, leading to a change in the refractive index of the surface region, which causes a change in all characteristics of the reflected optical signal. [Klimov V.V. Nanoplasmonics].

За время существования метода (около 30 лет) появилось много работ, направленных на улучшение его разрешающей способности и чувствительности. Среди них можно выделить техническое решение, связанное с созданием оптического волноводного слоя на некотором расстоянии от возбуждающей плазмон металлической пленки, что позволяет существенно уменьшить ширину линии отраженного оптического сигнала и увеличить чувствительность прибора. Данное техническое решение может служить аналогом изобретения. Как известно, чувствительность прибора, работающего на принципе поверхностного плазмонного резонанса, при амплитудной интеррогации, можно определить как отношение изменения интенсивности отраженного оптического излучения к единице изменения показателя преломления анализируемой среды, свойства которой, в данном случае - показатель преломления, зависит от концентрации искомых молекул. При этом, для повышения разрешающей способности сенсора необходимо, чтобы ширина линии была как можно меньше. Для реализации данной цели предложена структура, которая содержит после металлической пленки, возбуждающей плазмон, разделительную диэлектрическую область и внешний оптический волновод. Постоянная распространения внешней волноводной моды зависит от показателя преломления внешней области, прилегающий к оптическому волноводу. Область разделения должна состоять из оптически прозрачного материала, имеющего меньший показатель преломления чем волновод. Физический принцип увеличения чувствительности и разрешающей способности сенсора следующий:During the existence of the method (about 30 years), many works have appeared aimed at improving its resolution and sensitivity. Among them, one can single out a technical solution associated with the creation of an optical waveguide layer at a certain distance from the metal film exciting the plasmon, which makes it possible to significantly reduce the line width of the reflected optical signal and increase the sensitivity of the device. This technical solution can serve as an analogue of the invention. As is known, the sensitivity of a device operating on the principle of surface plasmon resonance during amplitude interrogation can be defined as the ratio of the change in the intensity of reflected optical radiation to a unit change in the refractive index of the analyzed medium, the properties of which, in this case, the refractive index, depend on the concentration of the desired molecules. At the same time, in order to increase the resolution of the sensor, it is necessary that the line width be as small as possible. To achieve this goal, a structure is proposed that contains, after a metal film that excites a plasmon, a separating dielectric region and an external optical waveguide. The propagation constant of the outer waveguide mode depends on the refractive index of the outer region adjacent to the optical waveguide. The separation region should consist of an optically transparent material having a lower refractive index than the waveguide. The physical principle of increasing the sensitivity and resolution of the sensor is as follows:

При пространственном разделении металлической пленки, возбуждающей поверхностный плазмон, и внешнего волновода появляется возможность согласования постоянной распространения поверхностного плазмона и внешнего оптического волновода. При этом, в результате интерференции электромагнитных полей, одно из которых поле, возбуждаемое плазмонами, и другого поля, которое отражается от внешней границы оптического волновода, граничащей с внешней средой, возникают два эффекта: Фано-резонанс и плазмон-индуцированная прозрачность. При Фано-резонансах постоянные распространения поверхностного плазмона и поля волновода близки, но различны, а при плазмон-индуцированной прозрачности точно совпадают. В обоих случаях благодаря интерференционным эффектам на резонансной длине волны поле в области внешнего волновода усиливается, а в области возбуждающей плазмон металлической пленки ослабляется. Поскольку поглощение пропорционально квадрату поля в области, обладающей потерями, в данном случае, в металлической пленке поглощение при резонансе резко падает. В результате этого в дальней зоне (зоне наблюдения) регистрируется чрезвычайно узкий пик (максимум) интенсивности отраженного излучения. При этом, при амплитудной интеррогации чувствительность датчиков повышается на пять порядков по сравнению с датчиками, построенными на эффекте обычного плазмонного резонанса по схеме Кречмана. [D.V. Nesterenko…, J. of Optics, V. 18 p. 065004 (2016)], [S. Hayashi…, Applied Physics Express, V8, p. 051101 (2015)], [S. Hayashi…, Applied Physics Letters, V. 108, p. 051101 (2016)], [S. Hayashi…, J. Phys. D: Appl. Phys., V 48 p. 325303, (2015)].With the spatial separation of the metal film that excites the surface plasmon and the external waveguide, it becomes possible to match the propagation constant of the surface plasmon and the external optical waveguide. In this case, as a result of the interference of electromagnetic fields, one of which is the field excited by plasmons, and the other field, which is reflected from the outer boundary of the optical waveguide bordering the external environment, two effects arise: Fano resonance and plasmon-induced transparency. For Fano resonances, the propagation constants of the surface plasmon and the waveguide field are close but different, while for plasmon-induced transparency they exactly coincide. In both cases, due to interference effects at the resonant wavelength, the field in the region of the external waveguide is enhanced, while in the region of the metal film exciting the plasmon, it is weakened. Since the absorption is proportional to the square of the field in the region with losses, in this case, in a metal film, the absorption drops sharply at resonance. As a result, an extremely narrow peak (maximum) of reflected radiation intensity is recorded in the far zone (observation zone). At the same time, with amplitude interrogation, the sensitivity of sensors increases by five orders of magnitude compared to sensors built on the effect of ordinary plasmon resonance according to the Kretschmann scheme. [D.V. Nesterenko…, J. of Optics, v. 18 p. 065004 (2016)], [S. Hayashi…, Applied Physics Express, V8, p. 051101 (2015)], [S. Hayashi…, Applied Physics Letters, v. 108, p. 051101 (2016)], [S. Hayashi…, J. Phys. D:Appl. Phys., V 48 p. 325303, (2015)].

В результате изменения диэлектрической проницаемости анализируемой среды, меняется непосредственно постоянная распространения внешнего оптического волновода и условия резонанса, приводящие к изменению амплитуды пика отраженного оптического сигнала. Расстояние между пленкой, в которой возбуждается плазмон, и внешним волноводом определяет силу взаимодействия поверхностного плазмона и волноводной модой. Как известно из теории Фано-резонансов, данное взаимодействие должно быть малым, что в данном случае обусловлено значительной шириной разделительной области и проявляется на практики в виде узкого отраженного сигнала. Взаимодействие при этом осуществляется в результате фотонного туннельного эффекта. [М. Yoshida. Physical Review, В 82, p. 045410 (2010)].As a result of a change in the dielectric constant of the analyzed medium, the propagation constant of the external optical waveguide and the resonance conditions change directly, leading to a change in the amplitude of the reflected optical signal peak. The distance between the film in which the plasmon is excited and the external waveguide determines the strength of interaction between the surface plasmon and the waveguide mode. As is known from the theory of Fano resonances, this interaction should be small, which in this case is due to the significant width of the separation region and manifests itself in practice in the form of a narrow reflected signal. In this case, the interaction is carried out as a result of the photon tunneling effect. [M. Yoshida. Physical Review, B 82, p. 045410 (2010)].

Недостатком данного технического решения является отсутствие селективности датчика по отношению к искомым молекулам, что является фактором, ограничивающим возможность регистрации их малых концентраций.The disadvantage of this technical solution is the lack of selectivity of the sensor in relation to the desired molecules, which is a factor limiting the possibility of registering their low concentrations.

Удачным решением, позволяющим селективно регистрировать искомые малые концентрации молекул может служить изобретение, изложенное в патенте RU 2527699 С1. (Биологический сенсор и способ создания биологического сенсора). Биологический сенсор состоит из подложки, металлической пленки, на поверхность которой нанесен промежуточный связующий слой, выполненный из пленки графена, или оксида графена, или тонкой пленки из углеродных нанотрубок. На поверхности промежуточного связующего слоя адсорбируется биоспецифический слой. В качестве биоспецифического слоя может выступать слой молекул связывающего партнера анализируемого вещества или слой из комплекса биологических молекул, способных химически взаимодействовать с молекулами связывающего партнера и образовавших с ними комплекс.A good solution that allows you to selectively register the desired low concentrations of molecules can be the invention described in patent RU 2527699 C1. (Biological sensor and method for creating a biological sensor). A biological sensor consists of a substrate, a metal film, on the surface of which an intermediate binding layer is applied, made of a graphene film, or graphene oxide, or a thin film of carbon nanotubes. A biospecific layer is adsorbed on the surface of the intermediate binding layer. A layer of molecules of the binding partner of the analyte or a layer of a complex of biological molecules that can chemically interact with the molecules of the binding partner and form a complex with them can act as a biospecific layer.

Недостатком данного решения является то обстоятельство, что связующий слой графена, оксида графена или углеродных нанотрубок, наносятся непосредственно на металлическую пленку, а не на диэлектрик (диэлектрический волновод), в результате чего отсутствует возможность увеличения чувствительности датчика за счет эффектов Фано-резонанса и плазмон-индуцированной прозрачности.The disadvantage of this solution is the fact that the connecting layer of graphene, graphene oxide or carbon nanotubes is deposited directly on the metal film, and not on the dielectric (dielectric waveguide), as a result of which there is no possibility of increasing the sensitivity of the sensor due to the effects of Fano resonance and plasmon induced transparency.

Другим техническим решением, позволяющим селективно связывать на рабочей поверхности искомые молекулы является использование для этих целей полупроводниковой пленки. Так, в работе [Gan Siew, … ZnO for performance enhancement of surface plasmon resonance biosensor: a review, Mater. Res. Express 7 (2020) 012003] изложена возможность применения пленки ZnO для селективного связывания аналита на рабочей поверхности сенсора. Недостатком данного решения так же является небольшая чувствительность прибора.Another technical solution that makes it possible to selectively bind the desired molecules on the working surface is the use of a semiconductor film for this purpose. So, in [Gan Siew, … ZnO for performance enhancement of surface plasmon resonance biosensor: a review, Mater. Res. Express 7 (2020) 012003] describes the possibility of using a ZnO film for selective binding of an analyte on the working surface of a sensor. The disadvantage of this solution is also the low sensitivity of the device.

Кроме полупроводниковой пленки, для селективного присоединения искомых молекул к сенсорному элементу может быть использована пленка из графена или оксида графена. В работе [Omer Salihoglu, … Plasmon-polaritons on graphene-metal surface and their use in biosensors, APPLIED PHYSICS LETTERS 100, 213110(2012) показана возможность регистрации белковых молекул в датчиках, работающих на принципе плазмонного резонанса. Для присоединения искомых белковых молекул к металлической пленки, в которой возбуждаются поверхностные плазмоны используется графен. Недостатком технического решения так же является малая чувствительность прибора, при которой минимальный порог регистрации молекул находится в пределах десятков нМоль.In addition to a semiconductor film, a graphene or graphene oxide film can be used to selectively attach desired molecules to a sensor element. The paper [Omer Salihoglu, … Plasmon-polaritons on graphene-metal surface and their use in biosensors, APPLIED PHYSICS LETTERS 100, 213110(2012)] shows the possibility of detecting protein molecules in sensors operating on the principle of plasmon resonance. Graphene is used to attach the desired protein molecules to a metal film in which surface plasmons are excited. The disadvantage of the technical solution is also the low sensitivity of the device, at which the minimum threshold for detecting molecules is within tens of nM.

Интересным применением восстановленного оксида графена является высокочувствительный сенсор на поверхностном плазмонном резонансе, изложенный в работе [Tianyu Xue1, … R6G molecule induced modulation of the optical properties of reduced graphene oxide nanosheets for use in ultrasensitive SPR sensing, Scientific Reports, 18 February 2016]. В статье описан принцип регистрации R6G молекул - красителя родамина, которые известны как флуоресцентные метки и широко применяются в медико - биологическом анализе. На поверхности золотой пленки находится электрохимически восстановленный оксид графена, диэлектрическая проницаемость которого зависит от концентрации молекул R6G. Данное обстоятельство позволяет довести предел детектирования молекул вплоть до 1017 моль. Однако, как и в предыдущих случаях, в данной работе отсутствуют вышеизложенные методы Фано-резонансов, позволяющие дополнительно улучшить чувствительность прибора.An interesting application of reduced graphene oxide is a highly sensitive surface plasmon resonance sensor described in [Tianyu Xue1, … R6G molecule induced modulation of the optical properties of reduced graphene oxide nanosheets for use in ultrasensitive SPR sensing, Scientific Reports, 18 February 2016]. The article describes the principle of registration of R6G molecules - rhodamine dye, which are known as fluorescent labels and are widely used in biomedical analysis. On the surface of the gold film, there is electrochemically reduced graphene oxide, the permittivity of which depends on the concentration of R6G molecules. This circumstance makes it possible to increase the detection limit of molecules up to 1017 mol. However, as in the previous cases, in this work there are no Fano resonance methods described above, which make it possible to further improve the sensitivity of the device.

Еще одним аналогом изобретения является техническое решение, изложенное в работе [Tianyu Xue, … Ultrasensitive detection of miRNA with an antimonene-based surface plasmon resonance sensor, Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-018-07947-8]. В данной работе изложен принцип регистрации малых концентраций микро - РНК молекул с минимальным пределом детектирования вплоть до 10 аМоль. (10^-17 М, примерно 30 молекул на 5 микролитров). Принцип работы устройства также основан на методе поверхностного плазмонного резонанса. В данном сенсоре произведена абсорбция золотых наностержней, связанных с однозвенными ДНК молекулами, на поверхность нанослоев сурьмы, которые, в свою очередь, нанесены на поверхность золотой пленки, в которой возбуждается поверхностный плазмон. При связывании комплекса золотой наностержень-однозвенная ДНК молекула с искомой микро - РНК молекулой происходит десорбция всей системы с поверхности сурьмы. За счет того, что показатель преломления золотого наностержня сильно отличается от показателя преломления белка, средний показатель преломления поверхностной области изменяется при этом весьма существенно, что приводит к чрезвычайно сильному изменению отраженного оптического сигнала, в результате чего достигается столь низкий порог детектирования молекул. Недостатком данного технического решения является слишком широкое угловое распределение полосы отражения оптического излучения, что является препятствием для дальнейшего увеличения чувствительности прибора.Another analogue of the invention is the technical solution described in [Tianyu Xue, … Ultrasensitive detection of miRNA with an antimonene-based surface plasmon resonance sensor, Nature Communications, https://doi.org/10.1038/s41467-018-07947-8 ]. In this paper, the principle of registration of small concentrations of miRNA molecules with a minimum detection limit up to 10 amol is outlined. (10 ^-17 M, approximately 30 molecules per 5 microlitres). The operating principle of the device is also based on the surface plasmon resonance method. In this sensor, absorption of gold nanorods associated with single-link DNA molecules was performed on the surface of antimony nanolayers, which, in turn, were deposited on the surface of a gold film in which a surface plasmon was excited. When the gold nanorod-single-link DNA molecule complex binds to the desired micro-RNA molecule, the entire system is desorbed from the surface of antimony. Due to the fact that the refractive index of the gold nanorod is very different from the refractive index of the protein, the average refractive index of the surface region changes quite significantly, which leads to an extremely strong change in the reflected optical signal, resulting in such a low detection threshold of molecules. The disadvantage of this technical solution is too wide angular distribution of the reflection band of optical radiation, which is an obstacle to further increase the sensitivity of the device.

Для связывания комплекса наночастица - микро - ДНК молекула на поверхности сенсора помимо вышеизложенного полупроводникового материала - сурьмы, может быть использован графен. В работе [Briliant Adhi Prabowoa, … Graphene-based portable SPR sensor for the detection of Mycobacterium tuberculosis DNA strain 30th Eurosensors Conference, EUROSENSORS 2016 Procedia Engineering 168 (2016) 541-545] показана возможность регистрации туберкулезных микробактерий - палочки Коха с использованием в качестве связующего элемента - графена. Механизм детектирования так же как и в предыдущем примере связан с отрывам комплекса однозвенная ДНК - молекула - золотая наночастица с поврхности при присоединении к данному комплексу комплементарной молекулы ДНК. Нижний предел детектирования при этом составил 28 ф Моль. Кроме графена, аналогичным связующим материалом к поверхности сенсора комплексов наночастица - ДНК молекула может служить оксид графена. [Tianyu Xue, … Surface plasmon resonance technique for directly probing the interaction of DNA and graphene oxide and ultra-sensitive biosensing, Biosensors andBioelectronics58(2014)374-379]. Нижний предел детектирования в данной схеме так же довольно низкий и составляет 10 фемто Моль. Несмотря на столь низкий предел обнаружения молекул, возможности его дальнейшего уменьшения не исчерпаны, что подтверждает предлагаемое техническое решение.To bind the complex nanoparticle - micro - DNA molecule on the surface of the sensor, in addition to the above semiconductor material - antimony, graphene can be used. The work [Briliant Adhi Prabowoa, ... Graphene-based portable SPR sensor for the detection of Mycobacterium tuberculosis DNA strain 30th Eurosensors Conference, EUROSENSORS 2016 Procedia Engineering 168 (2016) 541-545] shows the possibility of registering tuberculosis microbacteria - Koch's bacilli using as connecting element - graphene. The detection mechanism, as in the previous example, is associated with the detachment of the single-link DNA complex - a molecule - a gold nanoparticle from the surface when a complementary DNA molecule is attached to this complex. The lower limit of detection in this case was 28 f Mol. In addition to graphene, graphene oxide can serve as a similar binding material to the sensor surface of nanoparticle-DNA molecule complexes. [Tianyu Xue, … Surface plasmon resonance technique for directly probing the interaction of DNA and graphene oxide and ultra-sensitive biosensing, Biosensors andBioelectronics58(2014)374-379]. The lower limit of detection in this scheme is also quite low and amounts to 10 femto Mol. Despite such a low limit of detection of molecules, the possibilities of its further reduction have not been exhausted, which confirms the proposed technical solution.

Устранить недостатки вышеприведенных аналогов изобретения, а именно, придать селективность схеме сенсора, использующей принцип Фано-резонанса, а так же использовать данный принцип в схемах, основанных на традиционных методах измерения показателя преломления, основанных на возбуждении поверхностного плазмона, возможно с помощью технического решения, предлагаемого в данном изобретении.To eliminate the disadvantages of the above analogs of the invention, namely, to impart selectivity to the sensor circuit using the Fano resonance principle, as well as to use this principle in circuits based on traditional methods for measuring the refractive index based on the excitation of a surface plasmon, it is possible with the help of the technical solution proposed in this invention.

Схема предлагаемого датчика может быть реализована в трех вариантах, фиг. 1 и фиг. 2. Во всех исполнениях, датчик состоит из оптической призмы 1, соединенной со стеклянной пластиной (подложкой) 3 через иммерсионную жидкость 2, причем показатели преломления призмы, жидкости и подложки совпадают. Стеклянная пластина - подложка 3 - содержит на одной из своих сторон (противоположной от призмы) следующие нанесенные слои: слой благородного металла, например, золото 4, в котором возбуждается поверхностный плазмон, диэлектрический разделительный слой 5 с показателем преломления меньшим, чем показатели преломления призы (пластины) и последующего волноводного слоя 6. Разделительный слой может быть выполнен из прозрачного диэлектрического материала, например, MgF₂. Следующий за ним волноводный слой 6 выполняется из диэлектрического материала с высоким показателем преломления и минимальными оптическими потерями. В качестве примера, волноводный слой может быть изготовлен из нестехиометрического оксида кремния SiO_x, показатель преломления которого можно регулировать долей содержащегося в веществе кислорода. [В.Н. Кручинин, … Оптика и спектроскопия, 2019, том 127, вып. 5, стр. 769]. Другим примером материала использованного в качестве волноводного слоя может быть ZnS. Далее, за волноводным слоем следует в первом варианте (фиг. 1) адсорбирующий слой 7, способный селективно связывать анализируемые молекулы из газовой или жидкой среды. Постоянная распространения волноводной моды и соответственно резонансные условия взаимодействия поверхностный плазмон-волновод будут в данном случае зависеть от показателя преломления внешней поверхностной области слоя 7 за счет увеличения абсорбированных белковых молекул. Кроме этого, адсорбирующий слой 7 в результате воздействия абсорбированных молекул, способен изменять свой собственный показатель преломления, что, в свою очередь, так же приведет к изменению постоянной распространения оптического волновода и резонансных условий системы поверхностный плазмон - оптический волновод. В результате происходит изменение амплитуды отраженного оптического сигнала, что и позволит зафиксировать изменение искомой концентрации аналита. Примером данного абсорбирующего слоя может быть полупроводниковый слой ZnO, который способен поглощать молекулы кислорода, приводящие к изменению концентрации свободных электронов и показателя преломления данного вещества. [М. Wille, … Nanotechnology, Vol. 27, №22, p. 225702, (2016)]. Кроме полупроводникового материала, в качестве слоя 7 может быть использован слой из восстановленного оксида графена, который так же способен изменять свой показатель преломления в зависимости от концентрации адсорбированных на его поверхности молекул, количество которых определяет положение уровня Ферми и соответственно диэлектрическую проницаемость пленки. Во втором варианте (фиг. 2) на поверхность волноводного слоя 6 наносится тонкий (в несколько нанометров) связующий слой 8, предназначенный для создания возможности присоединения молекул - лигандов 9, способных селективно связывать искомые молекулы - аналит. Связующий слой 8 может быть выполнен из полупроводниковых материалов, например, ZnO, нанослоев сурьмы (Sb), а так же из графена или тонкой пленки из однослойных или многослойных углеродных нанотрубок, а так же тонкой пленки из оксида графена, которые в данном случае наносятся на диэлектрическую поверхность. Далее, на связующий слой 8 наносятся в одном случае биоспецифические молекулы 9 фиг. 2, в качестве которых может выступать слой молекул связывающего партнера анализируемого вещества или слой из состава биологических молекул, способных химически взаимодействовать с молекулами связывающего партнера и образовывать с ними связь. В другом случае (3 вариант) в качестве биоспецифических веществ наносимых на связующий слой 8, (состоящий из полупроводникового материала, графена или оксида графена), могут быть использованы комплексы, каждый из которых представляет собой связанную молекулу лиганда (например, однозвенную ДНК молекулу) и наночастицу. Наночастица может быть выполнена из благородного металла, например, золота, или диэлектрического материала, например ZnO. При этом важно, чтобы показатель преломления наночастицы как можно больше отличался бы от показателя преломления белка и наночастица была бы биосовместима с биологическими молекулами.The scheme of the proposed sensor can be implemented in three versions, Fig. 1 and FIG. 2. In all versions, the sensor consists of an optical prism 1 connected to a glass plate (substrate) 3 through an immersion liquid 2, and the refractive indices of the prism, liquid and substrate are the same. The glass plate - substrate 3 - contains on one of its sides (opposite from the prism) the following deposited layers: a noble metal layer, for example, gold 4, in which a surface plasmon is excited, a dielectric separating layer 5 with a refractive index lower than the refractive index of the prize ( plates) and subsequent waveguide layer 6. The separating layer can be made of a transparent dielectric material, such as MgF ₂ . The waveguide layer 6 following it is made of a dielectric material with a high refractive index and minimal optical losses. As an example, the waveguide layer can be made of non-stoichiometric silicon oxide SiO _x , the refractive index of which can be controlled by the proportion of oxygen contained in the substance. [V.N. Kruchinin, ... Optics and spectroscopy, 2019, volume 127, no. 5, p. 769]. Another example of a material used as a waveguide layer would be ZnS. Further, the waveguide layer is followed in the first variant (Fig. 1) by an adsorbing layer 7 capable of selectively binding analyzed molecules from a gaseous or liquid medium. The propagation constant of the waveguide mode and, accordingly, the resonant conditions for the interaction of the surface plasmon-waveguide will in this case depend on the refractive index of the outer surface region of layer 7 due to an increase in the absorbed protein molecules. In addition, the adsorbing layer 7, as a result of the action of absorbed molecules, is able to change its own refractive index, which, in turn, will also lead to a change in the propagation constant of the optical waveguide and the resonant conditions of the surface plasmon - optical waveguide system. As a result, the amplitude of the reflected optical signal changes, which will make it possible to fix the change in the desired concentration of the analyte. An example of this absorbent layer would be the ZnO semiconductor layer, which is capable of absorbing oxygen molecules leading to a change in the concentration of free electrons and the refractive index of the substance. [M. Wille, Nanotechnology, Vol. 27, no. 22, p. 225702, (2016)]. In addition to the semiconductor material, a layer of reduced graphene oxide can be used as layer 7, which is also capable of changing its refractive index depending on the concentration of molecules adsorbed on its surface, the number of which determines the position of the Fermi level and, accordingly, the permittivity of the film. In the second version (Fig. 2), a thin (a few nanometers) binding layer 8 is applied to the surface of the waveguide layer 6, designed to create the possibility of attaching molecules - ligands 9, capable of selectively binding the desired molecules - analyte. The connecting layer 8 can be made of semiconductor materials, for example, ZnO, antimony (Sb) nanolayers, as well as graphene or a thin film of single-layer or multilayer carbon nanotubes, as well as a thin film of graphene oxide, which in this case are deposited on dielectric surface. Further, on the binding layer 8, in one case, the biospecific molecules 9 of FIG. 2, which can be a layer of molecules of the binding partner of the analyte or a layer from the composition of biological molecules that can chemically interact with the molecules of the binding partner and form a bond with them. In another case (variant 3), as biospecific substances applied to the binding layer 8 (consisting of a semiconductor material, graphene or graphene oxide), complexes can be used, each of which is a bound ligand molecule (for example, a single-link DNA molecule) and nanoparticle. The nanoparticle can be made of a noble metal, such as gold, or a dielectric material, such as ZnO. In this case, it is important that the refractive index of the nanoparticle differ as much as possible from the refractive index of the protein, and the nanoparticle would be biocompatible with biological molecules.

Принцип работы датчика следующий:The principle of operation of the sensor is as follows:

Входное лазерное излучение, под определенным углом, большем чем угол полного внутреннего отражения и соответствующем режиму Фано-резонанса или плазмон - индуцированной прозрачности, падает сквозь призму 1, через иммерсионную жидкость 2 и стеклянную пластину (подложку) 3 на металлический слой из благородного металла, например, золота, 4, в котором возбуждается поверхностный плазмон. Поле поверхностного плазмона возбуждает моду оптического волновода. При равенстве постоянных распространения плазмона и волновода имеет место явление плазмон-индуцированной прозрачности, которое выражается во взаимной компенсации полей в области металлической пластины, в результате деструктивной интерференции поля, отраженного от внешней границы волновода и поля поверхностного плазмона. Поскольку, как было уже сказано, поглощение электромагнитного излучения в металле пропорционально квадрату интенсивности поля, именно данный узкий интерференционный минимум проявляется в спектре отражения в дальней зоне в качестве максимума отраженного сигнала. В случае Фано-резонансов постоянные распространения поверхностного плазмона и волновода имеют небольшую отстройку друг от друга. При этом, так же происходит интерференция полей, в области металлической пластины, но, в отличие от эффекта плазмон - индуцированной прозрачности, интерференция может быть как конструктивной (усиливающей), так и деструктивной, что соответствует минимуму (максимуму) интенсивности отраженного излучения в дальне зоне. В области волновода в обоих случаях имеется максимум поля, которое может быть усилено на семь порядков по сравнению с падающем полем. В случае реализации схемы с одним нанесенным на оптический волновод абсорбционным слоем 7, способным селективно связывать искомые молекулы (например ZnO графен или оксид графена, однослойные или многослойные углеродные нанотрубки), постоянная распространения волновода зависит от показателя преломления анализируемой поверхностной области, который в свою очередь зависит от толщины и плотности слоя абсорбированных белковых молекул. Кроме того, как было сказано выше, показатель преломления абсорбционного слоя 7 (полупроводник, восстановленный оксид графена) сам может зависеть от концентрации искомых абсорбированных молекул, селективно связанных на его поверхности, в результате чего меняется постоянная распространения моды оптического волновода, что в свою очередь, приводит к изменению резонансных условий волновод - поверхностный плазмон и, как следствие, к изменению амплитуды выходного оптического сигнала.The input laser radiation, at a certain angle greater than the angle of total internal reflection and corresponding to the Fano resonance or plasmon-induced transparency, is incident through a prism 1, through an immersion liquid 2 and a glass plate (substrate) 3 onto a noble metal layer, for example , gold, 4, in which a surface plasmon is excited. The surface plasmon field excites the mode of the optical waveguide. When the propagation constants of the plasmon and the waveguide are equal, the phenomenon of plasmon-induced transparency takes place, which is expressed in the mutual compensation of fields in the region of the metal plate, as a result of destructive interference of the field reflected from the outer boundary of the waveguide and the field of the surface plasmon. Since, as already mentioned, the absorption of electromagnetic radiation in a metal is proportional to the square of the field intensity, it is this narrow interference minimum that appears in the reflection spectrum in the far zone as the maximum of the reflected signal. In the case of Fano resonances, the propagation constants of the surface plasmon and the waveguide are slightly detuned from each other. At the same time, interference of fields also occurs in the area of the metal plate, but, unlike the effect of plasmon-induced transparency, interference can be both constructive (amplifying) and destructive, which corresponds to the minimum (maximum) intensity of the reflected radiation in the far zone . In the waveguide region, in both cases, there is a field maximum that can be enhanced by seven orders of magnitude compared to the incident field. In the case of implementing a scheme with one absorption layer 7 deposited on the optical waveguide, capable of selectively binding the desired molecules (for example, ZnO graphene or graphene oxide, single-layer or multilayer carbon nanotubes), the propagation constant of the waveguide depends on the refractive index of the analyzed surface region, which in turn depends on on the thickness and density of the layer of absorbed protein molecules. In addition, as mentioned above, the refractive index of the absorption layer 7 (semiconductor, reduced graphene oxide) itself can depend on the concentration of the desired absorbed molecules selectively bound on its surface, as a result of which the propagation constant of the optical waveguide mode changes, which, in turn, leads to a change in the resonant conditions of the waveguide - surface plasmon and, as a consequence, to a change in the amplitude of the output optical signal.

В случае использования связующего слоя 8 (полупроводниковый материал, графен, оксид графена, пленки из однослойных и многослойных углеродных нанотрубок) его толщина должна оставаться в нанометровом масштабе, чтобы затухание вытекающего поля оптического волновода не было значительным в области десорбции искомых молекул.In the case of using binder layer 8 (semiconductor material, graphene, graphene oxide, films of single-walled and multi-layered carbon nanotubes), its thickness must remain on the nanometer scale so that the attenuation of the leaky field of the optical waveguide is not significant in the region of desorption of the desired molecules.

При использовании комплексов наночастица - белок, наночастица может быть выполнена из материала, показатель преломления которого сильно отличается от показателя преломления белка - 1,4. Это может быть полупроводник, благородный металл и т.д. Форма наночастицы также может быть различной: наностержень, сфера, призма и т.п. Белок-лиганд или одноцепочечная молекула ДНК связывается с наночастицей и данный комплекс абсорбируется на поверхности связующей пленки. При взаимодействии белка-лиганда с искомой молекулой - аналитом происходит уменьшение энергии связи комплекса с поверхностью, в результате чего он десорбируется. В результате того, что показатель преломления наночастицы сильно отличается от показателя преломления белка, средний показатель преломления при этом, будет изменяться значительно сильнее, что приведет к увеличению чувствительности датчика. При использовании металлической частицы, изначально абсорбированный на поверхности комплекс уничтожит проявление эффектов Фано-резонансов и плазмон-индуцированной прозрачности, поскольку метал обладает сильным поглощением, в результате чего затухание в волноводе станет значительным и резонансы исчезнут. Однако, при подборе соответствующей концентрации комплексов белок - металлическая наночастица, соответствующей пороговому режиму возникновения фано - резонансов или плазмон - индуцированной прозрачности, взаимодействие комплексов с искомыми молекулами приводящее к десорбции их с поверхности будет сопровождаться резким изменением амплитуды поля узкополосного отраженного излучения, в результате появления резонансов, что так же увеличивает чувствительность датчика.When using nanoparticle-protein complexes, the nanoparticle can be made of a material whose refractive index is very different from the refractive index of the protein - 1.4. It can be a semiconductor, noble metal, etc. The shape of a nanoparticle can also be different: nanorod, sphere, prism, etc. A ligand protein or a single-stranded DNA molecule binds to a nanoparticle and this complex is absorbed on the surface of the binding film. When the protein-ligand interacts with the desired molecule - analyte, the binding energy of the complex with the surface decreases, as a result of which it is desorbed. As a result of the fact that the refractive index of the nanoparticle is very different from the refractive index of the protein, the average refractive index will change much more, which will lead to an increase in the sensitivity of the sensor. When using a metal particle, the complex initially absorbed on the surface will cancel out the effects of Fano resonances and plasmon-induced transparency, since the metal has a strong absorption, as a result of which the attenuation in the waveguide will become significant and the resonances will disappear. However, when selecting the appropriate concentration of protein-metal nanoparticle complexes, corresponding to the threshold mode of occurrence of fano-resonances or plasmon-induced transparency, the interaction of complexes with the desired molecules leading to their desorption from the surface will be accompanied by a sharp change in the amplitude of the field of narrow-band reflected radiation, as a result of the appearance of resonances which also increases the sensitivity of the sensor.

Claims

1. Оптический сенсор на основе плазмон-индуцированной прозрачности и Фано-резонансов, состоящий из оптической призмы, слоя благородного металла, в котором возбуждается поверхностный плазмон, следующего за ним разделительного диэлектрического слоя с меньшим показателем преломления, чем показатель преломления призмы, расположенным за разделительным слоем волноводным слоем с большим показателем преломления, чем разделительный слой, отличающийся тем, что слой благородного металла и соответственно вышеуказанные следующие за ним слои наносятся на отдельную прозрачную пластину, соединенную с призмой через иммерсионную жидкость с таким же показателем преломления, что у призмы и пластины, причем слои наносятся на сторону пластины, противоположную призме.1. An optical sensor based on plasmon-induced transparency and Fano resonances, consisting of an optical prism, a noble metal layer in which a surface plasmon is excited, followed by a separating dielectric layer with a lower refractive index than the refractive index of the prism, located behind the separating layer a waveguide layer with a higher refractive index than the separating layer, characterized in that the noble metal layer and, accordingly, the above layers following it are deposited on a separate transparent plate connected to the prism through an immersion liquid with the same refractive index as the prism and the plate, and layers are deposited on the side of the plate opposite to the prism.

2. Оптический сенсор по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности волноводного слоя находится тонкий слой полупроводникового материала или слой графена, оксида графена или углеродных нанотрубок, способных селективно связывать на своей поверхности искомые молекулы из жидкой или газовой среды.2. An optical sensor according to claim 1, characterized in that on the surface of the waveguide layer there is a thin layer of semiconductor material or a layer of graphene, graphene oxide or carbon nanotubes, capable of selectively binding the desired molecules from a liquid or gas medium on their surface.

3. Оптический сенсор по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности волноводного слоя находится слой полупроводникового материала или слой восстановленного оксида графена, которые способны селективно связывать на своей поверхности искомые молекулы и при этом менять свой комплексный показатель преломления в зависимости от концентрации адсорбированного на их поверхности аналита.3. The optical sensor according to claim 1, characterized in that on the surface of the waveguide layer there is a layer of semiconductor material or a layer of reduced graphene oxide, which are capable of selectively binding the desired molecules on their surface and at the same time changing their complex refractive index depending on the concentration of adsorbed on their analyte surfaces.

4. Оптический сенсор по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности волноводного слоя находится тонкий связующий слой, способный удерживать на своей поверхности нанесенные молекулы - лиганды, селективно связывающие искомые молекулы - аналит, причем данный связующий слой может быть выполнен из полупроводникового материала, графена, оксида графена, пленки из однослойных и многослойных углеродных нанотрубок.4. The optical sensor according to claim 1, characterized in that on the surface of the waveguide layer there is a thin binding layer capable of holding on its surface deposited molecules - ligands that selectively bind the desired molecules - analyte, and this binding layer can be made of a semiconductor material, graphene, graphene oxide, films of single-layer and multilayer carbon nanotubes.

5. Оптический сенсор по п. 4, отличающийся тем, что на поверхности связующего слоя, выполненного из полупроводникового материала, графена или оксида графена, находятся комплексы, состоящие из молекул лиганда, связанных с наночастицами, комплексные показатели преломления которых отличаются от показателя преломления молекул лиганда, и данные комплексы способны десорбироваться с поверхности при присоединении к ним молекул аналита.5. An optical sensor according to claim 4, characterized in that on the surface of the bonding layer made of a semiconductor material, graphene or graphene oxide, there are complexes consisting of ligand molecules bound to nanoparticles, the complex refractive indices of which differ from the refractive index of the ligand molecules , and these complexes are capable of desorption from the surface when analyte molecules are attached to them.