Способ регистрации биологических, химических и биохимических процессов на границе жидкость-фотонный кристалл и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области биологических, химических и биохимических поверхностных сенсоров, основанных на возбуждении поверхностных волноводных электромагнитных волн на границе раздела жидкость-твердое тело. Сущность изобретения заключается в том, что по крайней мере часть данного твердого тела вблизи данной границы раздела составляют из слоев с периодически меняющимися показателями преломления, т.е. в качестве твердого тела используют "фотонный кристалл", причем толщину слоев выбирают таким образом, чтобы данное электромагнитное излучение возбуждало более чем одну поверхностную волноводную моду на данной границе раздела жидкость-фотонный кристалл. Одновременная регистрация двух или более поверхностных волноводных мод с разными глубинами проникновения электромагнитной волны в объем жидкости позволяет разделить поверхностные и объемные эффекты. 2 с.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области регистрации биологических, химических и биохимических процессов на границе жидкость-твердое тело, т.е. к области биологических, химических и биохимических поверхностных сенсоров.

Уровень техники

В настоящее время большинство "безмаркерных" ("label-free") поверхностных оптических сенсоров основано на возбуждении поверхностных электромагнитных волн, распространяющихся вдоль исследуемой границы раздела жидкость-твердое тело [1]. В методе "резонанса поверхностных плазмонов" (Surface Plasmon Resonance - SPR) эти волны - это поверхностные плазмон-поляритоные моды (2], распространяющиеся вдоль металлической поверхности, а в методе "резонансного зеркала "(Resonant Mirror - RM) эти волны - это волноводные моды, возбуждаемые в диэлектрическом слое с высоким показателем преломления, осажденном на слое с низким показателем преломления [3].

Регистрация реакций, происходящих на данной границе раздела жидкость-твердое тело или (чаще) в дополнительном приповерхностном чувствительном слое, селективно взаимодействующим с определенным компонентом, растворенным в жидкости, происходит путем измерения волнового вектора данной поверхностной волноводной электромагнитной моды, распространяющейся вдоль данной границы раздела.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ возбуждения и детектирования поверхностных волноводных электромагнитных волн на поверхности фотонного кристалла [4]. Фотонные кристаллы (ФК) - это материалы с показателем преломления, периодически меняющимся на длине порядка длины волны света [5]. В этих материалах существуют запрещенные энергетические зоны, весьма подобные запрещенным энергетическим зонам для электронов, распространяющихся в обычном кристалле. В обоих случаях существует интервал частот, где волновое распространение запрещено. Эта аналогия может быть распространена и на поверхностные уровни, которые могут существовать в запрещенных энергетических зонах обычных кристаллов. В ФК они соответствуют поверхностным оптическим модам с дисперсионными кривыми, расположенными внутри запрещенных зон. Мы будем использовать одномерный (1D) ФК, т.е. обычное многослойное диэлектрическое зеркало из чередующихся слоев с высоким и низким показателем преломления.

Недостатком всех вышеупомянутых способов регистрации процессов на границе жидкость-твердое тело (включая наиболее близкий аналог [4]) является чувствительность этих способов не только к поверхностным свойствам на границе жидкость-твердое тело, но и к объемным свойствам жидкости, таким как показатель преломления жидкости. Это происходит вследствие проникновения затухающей электромагнитной волны в объем жидкости на глубину более чем 100 нм. Так как показатель преломления жидкости сильно меняется при изменении температуры (для воды изменение температуры на 1°С приводит к изменению показателя преломления на 10^-4) и при изменении состава жидкости, то эта проблема становится основной при повышении чувствительности регистрации поверхностных волноводных электромагнитных волн.

Поскольку во всех вышеупомянутых способах регистрируется волновой вектор только одной поверхностной волноводной электромагнитной моды, то невозможно извлечь два параметра (изменение объемного показателя преломления жидкости и изменение толщины приповерхностного слоя) из одного регистрируемого параметра.

Следовательно, существует необходимость в разработке такого метода детектирования приповерхностных процессов, при котором бы регистрировались по крайней мере две приповерхностные волноводные электромагнитные моды с разными глубинами проникновения затухающей электромагнитной волны в объем жидкости. Из этих (по крайней мере двух) различных волновых векторов, регистрируемых на одном и том же участке поверхности, можно извлечь как изменение объемного показателя преломления жидкости, так и изменение толщины приповерхностного слоя.

Сущность изобретения

Задачей данного изобретения является разработка такого способа возбуждения электромагнитных колебаний на границе раздела жидкость-твердое тело, который бы приводил к указанному выше желаемому техническому результату: одновременной регистрации на одном и том же участке поверхности как изменений в приповерхностном чувствительном слое (полезный сигнал), так и изменений объемного показателя преломления жидкости (мешающий сигнал) и таким образом к возможности разделить эти сигналы друг от друга.

Для этого необходимо одновременное возбуждение по крайней мере двух поверхностных волноводных мод. Поставленная задача решается за счет того, что мы так выбираем толщины слоев ФК, что на его поверхности падающее электромагнитное излучение может возбудить сразу несколько (две или более) электромагнитные моды с сильно отличающимися глубинами проникновения затухающей электромагнитной волны в объем жидкости.

Возможность изменять параметры ФК, изменяя толщины их диэлектрических слоев, является привлекательной отличительной чертой ФК. Меняя параметры ФК, мы можем подобрать такой ФК, при котором возбуждение сразу нескольких длиннопробежных мод на одном и том же участке его поверхности будет возможным. Этого гораздо труднее добиться при использовании поверхностных плазмонов или обычных волноводных мод.

Мы приведем конкретные параметры ФК, при которых две длиннопробежные моды распространяются по поверхности ФК на расстояние в несколько миллиметров. Также мы опишем устройство для практической реализации данного способа возбуждения электромагнитных колебаний, локализованных вблизи границы раздела жидкость-фотонный кристалл (см. фиг.2).

Перечень чертежей

Сущность изобретения и примеры, подтверждающие возможность его осуществления, поясняются ниже с помощью чертежей.

Фиг.1. - Вычисленные значения для дисперсии фотонно-кристаллической структуры и экспериментальные данные (белые звездочки) на длинах волн λ=442 нм (He-Cd лазер) и λ=532 нм (вторая гармоника Nd-YAG лазера).

Фиг.2. - Схема устройства биосенсора с возбуждением двух длиннопробежных поверхностных волноводных мод на границе жидкость-фотонный кристалл.

Фиг.3. - Сигнал с приемника электромагнитного излучения (с диодной линейки), регистрирующий изменения волновых векторов поверхностных волноводных электромагнитных мод.

Фиг.4. - Наблюдаемое в эксперименте изменение толщины приповерхностного слоя при осаждении стрептавидина на поверхность.

Фиг.5. - Наблюдаемое в эксперименте изменение толщины приповерхностного слоя при связывании биотина со стрептавидином на поверхности.

Фиг.6. - Наблюдаемое в эксперименте изменение показателя преломления жидкости при инъекции биотина в жидкость.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Для более полного понимания изобретения и с целью его иллюстрации ниже приводится пример его экспериментального осуществления. Однако следует понимать, что возможны его различные модификации, очевидные для специалиста в данной области техники, не меняющие существа изобретения и не выходящие за пределы объема изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Прежде всего мы приведем математические обоснования возможности осуществления изобретения. Сначала рассчитаем дисперсию следующей ФК структуры: подложка/ (LH)³L'/вода, где толщины слоев L (состоящие из SiO₂) с низким показателем преломления n₁=1.49 равны d₁=154.0 нм, толщины слоев Н (состоящие из Та₂О₅) с высоким показателем преломления n₂=2.12 равны d₂=89.4 нм и толщина последнего слоя L' (состоящего из SiO₂) равна d₃=638.5 нм.

Такая 7-слойная SiO₂/Ta₂O₅ ФК структура была осаждена на подложку из стекла ВК-7 с показателем преломления n₀=1.52, и измерения углов возбуждения поверхностных волноводных мод были проведены в воде с показателем преломления n_е=1.335. Из фиг.1 видно хорошее согласие между теоретической дисперсионной кривой и экспериментальными точками (белые звездочки), измеренными на длинах волн λ=442 нм (He-Cd лазер) и λ=532 нм (вторая гармоника Nd-YAG лазера).

Дисперсия ФК представлена в координатах λ(ρ), где λ - это длина волны, а ρ - это числовая апертура ρ=n₀sin(θ₀). Числовая апертура ρ может использоваться как угловая переменная вместо углов θ_j в различных слоях. Это будет универсальный угловой параметр для всех слоев, так как по закону преломления Снеллиуса ρ=n₀sin(θ₀)=n_jsin(θ_j) для любого слоя j. Параметр ρ, при котором возбуждаются поверхностные моды, равен эффективному показателю преломления этих мод. Следовательно, две темные кривые на фиг.1 (с усилением порядка 1000) представляют дисперсию двух оптических поверхностных мод.

Из фиг.1 видно, что возможно возбудить одну из поверхностных мод ФК в непосредственной близости от угла полного внутреннего отражения (Total Internal Reflection - TIR), если соответственно выбрать лазерную длину волны и/или структуру ФК. Глубина проникновения затухающей электромагнитной волны в объем внешней среды, равная

может быть очень велика для этой моды, если разница (ρ₁-ρ_TIR)=(ρ₁-n_е) очень мала. Это свойство ФК очень важно для достижения необходимого нам технического результата, так как такая поверхностная волна будет гораздо более чувствительна к объемному показателю преломления жидкости и может быть использована как измеритель объемных флуктуаций в жидкости.

На фиг.2 показана схема устройства биосенсора с возбуждением двух длиннопробежных поверхностных волноводных мод на границе жидкость-фотонный кристалл. Оптическое электромагнитное излучение от лазера 1 расщепляется на две части и через призму 2 возбуждает две поверхностные волноводные моды на границе раздела между ФК 3 и жидкостью 4 в жидкостной ячейке. Отраженное электромагнитное излучение падает на приемник оптического излучения - диодную линейку 5.

Типичный сигнал с приемника электромагнитного излучения (с диодной линейки), регистрирующий изменения угловых параметров ρ₁ и ρ₂ поверхностных волноводных электромагнитных мод (и, следовательно, их волновых векторов k_1,2=ωρ_1,2/с), представлен на фиг.3.

Интерференция на резонансной кривой является отличительной чертой длиннопробежных поверхностных оптических волн. Она означает, что длина распространения поверхностных оптических волн больше, чем перетяжка падающего на поверхность ФК гауссового пучка. В нашей недавней работе [6] происхождение этой интерференции объяснено более детально.

Из фиг.3 видно, что резонансные кривые очень узкие (вследствие длиннопробежности поверхностных волн) и это, следовательно, позволяет детектировать их смещение с высокой точностью. Изменение P₁ и Р₂ может быть конвертировано в изменение угловых параметров поверхностных мод Δρ₁ и Δρ₂. Чтобы вывести изменение объемного показателя преломления жидкости Δn=Δn(Δρ₁, Δρ₂) и изменение толщины адсорбционного слоя Δd=Δd(Δρ₁, Δρ₂) как функции детектируемых величин Δρ₁ и Δρ₂, мы можем воспользоваться линейным методом, основанным на разложении детектируемых величин Δρ₁ и Δρ₂ в ряд Тейлора по Δn и Δd:

Отсюда получаем нужные нам величины Δn и Δd как функции измеренных величин Δρ₁ и Δρ₂:

где K_d and K_n есть отношение соответствующих частных производных:

Чтобы получить безразмерную величину, пропорциональную Δn в одном канале, и безразмерную величину, пропорциональную Δd в другом канале, мы нуждаемся только в коэффициентах K_d и К_n (см. правую часть уравнений 3а-3b). Если же мы хотим иметь Δn в единицах показателя преломления и Δd в единицах длины, то мы так же нуждаемся в коэффициентах ∂ρ₁/∂n и ∂ρ₂/∂d соответственно. Все эти коэффициенты могут быть получены, например, из теоретического моделирования реальной ФК структуры. Для представленной нами структуры эти коэффициенты равны: K_d=0.415; К_n=0.1; ∂ρ₁/∂n=0.5 [1/RI] и ∂ρ₂/∂d=0.06 [1/μm] (предполагая, что показатель преломления адсорбционного слоя n_a=1.43).

В качестве тестовой демонстрации чувствительности нашего метода мы представляем изменение толщины приповерхностного слоя при осаждении стрептавидина на поверхность (фиг.4). На фиг.5 и фиг.6 представлена одновременная запись как изменения толщины приповерхностного слоя (фиг.5), так и изменение показателя преломления жидкости при инъекции данного биотина в жидкость (фиг.6). Стрелкой 6 показан момент инъекции стрептавидина в жидкость, а стрелками 7 и 8 - момент инъекций биотина в жидкость. После первой инъекции биотина видно, что толщина слоя изменяется вследствие конформационных изменений молекул стрептавидина при проникновении в них молекул биотина. Видно, что вторая инъекция биотина не приводит к столь значительным изменениям, так как большинство "связующих карманов" в молекуле стрептавидина уже заняты молекулами биотина.

Источники информации

1. G.Robinson, "The commercial development of planar optical biosensors," Sensors and Actuators B, vol.29, pp.31-36, ОСТ 1995.

2. H.Raether, Surface Plasmons. Berlin: Springer, 1988.

3. R.Cush, J.Cronin, W.Stewart, C.Maule, J.Molloy, and N.Goddard, "The resonant mirror - a novel optical biosensor for direct sensing of biomolecular interactions. I. Principle of operation and associated instrumentation," Biosensors & Bioelectronics, vol.8, no.7-8, pp.347-353, 1993.

4. W.M.Robertson and M.S.May, "Surface electromagnetic waves on one-dimensional photonic band gap arrays," Appl. Phys. Lett., vol.74, pp.1800-1802, March 1999.

5. E.Yablonovitch, "Photonic band-gap structures," J. Opt. Soc. Am. B, vol.10, no.2, pp.283-295, 1993.

6. V.N.Konopsky and E.V.Alieva, "Long-range propagation of plasmon polaritons in a thin metal film on a one-dimensional photonic crystal surface," Phys. Rev. Lett., vol.97, p.253904, December 2006.

1. Способ оптической регистрации биологических, физических, химических и биохимических процессов на границе раздела между жидкостью и твердым телом и в сенсорных слоях, расположенных на данной границе раздела, заключающийся в том, что на данную границу раздела направляют электромагнитное излучение, возбуждающее поверхностные волноводные электромагнитные моды на данной границе раздела, о протекающих на данной границе раздела процессах судят по изменению волновых векторов данных поверхностных волноводных электромагнитных мод, отличающийся тем, что по крайней мере часть данного твердого тела вблизи данной границы раздела составляют из слоев с периодически меняющимися показателями преломления, причем толщину слоев выбирают таким образом, чтобы данное электромагнитное излучение возбуждало более чем одну поверхностную волноводную моду на данной границе раздела.

2. Устройство для регистрации биологических, физических, химических и биохимических процессов на границе раздела между жидкостью и твердым телом и в сенсорных слоях, расположенных на данной границе раздела, содержащее источник электромагнитного излучения, которым облучают данную границу раздела, приемник электромагнитного излучения, регистрирующий изменение волновых векторов поверхностных волноводных электромагнитных мод, возбуждаемых данным источником электромагнитного излучения, на данной границе раздела, отличающееся тем, что по крайней мере часть данного твердого тела вблизи данной границы раздела состоит из слоев с периодически меняющимися показателями преломления, причем толщина слоев выбрана таким образом, чтобы данное электромагнитное излучение возбуждало более чем одну поверхностную волноводную моду на данной границе раздела.