Диссертация (Моды шепчущей галереи в неидеальных оптических микрорезонаторах. Методы аппроксимации), страница 8

Детектирование чистого вещества обладает меньшей чувствительностью, затопозволяет работать с меньшими объемами препаратов.В дальнейшем будем рассматривать подробнее сенсоры на основе измерения показателя преломления. Все эти сенсоры имеют общий принцип работы: чувствительная областьпокрыта некоторым веществом-распознавателем, а объем сенсорной области заполнен буферным веществом. При попадании в чувствительную область детектируемой частицы, онасадится на акцепторы, замещая буферное вещество на расстоянии от нескольких нанометровдо нескольких десятков нанометров от поверхности, изменяя таким образом свойства поверхности сенсора, точнее ее показатель преломления, что и отображается в выходном сигнале.В большинстве сенсоров световое поле сконцентрировано в приповерхностном слое, и его выпадающее поле имеет характерную длину спадания от нескольких десятков до несколькихсотен нанометров, что и определяет область, в которой будут видны детектируемые прореагировавшие частицы.Одним из ключевых понятий для сенсоров является их чувствительность, которая определяется степенью изменения выходного сигнала при изменении состава вещества в сенсорнойобласти.

Во всех датчиках на основе выпадающего поля она определяется интенсивностьюполя в приграничной области, то есть силой взаимодействия между светом и веществом. Ночаще для сравнения работы сенсоров приводят их предел измерения, определяемый отношением минимально разрешимого сигнала к чувствительности. Поскольку мы рассматриваемсенсоры на основе изменения показателя преломления, то предел измерения указывается вединицах показателя преломления, но его можно задавать и в по отношению к массе (пгр /мм2 ) или по отношению к концентрации (нгр / мл).

Улучшить предел измерений можно засчет:• увеличения области взаимодействия свет-вещество• уменьшения температурных флуктуаций (используя термостат)• использования взаимной компенсации термо-оптического и термо-механического эффекта (разные знаки коэффициентов)Существует несколько основных видов оптических сенсоров, использующих изменениепоказателя преломления для получения сигнала.443.1.1Сенсоры на эффекте поверхностного плазмонного резонансаНаиболее часто встречающимся является датчик, построенный на эффекте поверхностного плазмонного резонанса [31–35].

Поверхностная плазмонная волна - колебание зарядовойплотности, которое происходит на поверхности соприкосновения двух веществ с диэлектрическими константами противоположных знаков (металл/диэлектрик). Такие волны распространяются в направлении, параллельном границе раздела металл – диэлектрик, и сильнолокализованы у границы раздела сред. В результате они оказываются весьма чувствительными к любым изменениям граничных условий на поверхности металла, что позволяет использовать их для детектирования сверхмалых концентраций различных биохимических соединений. Для возбуждения поверхностного плазмона на границе металл – диэлектрик должновыполняться согласование проекции волнового вектора падающего излучения параллельнойгранице раздела и волнового вектора поверхностного плазмона.

Другими словами, энергияфотона переходит в плазмонную волну при резонансной длине волны или резонансном углепадения.Существует четыре основных согласовывающих устройств для возбуждения плазмоннойволны: призма [36], волновод [37], оптоволокно [38] или субволновая решетка [39,40]. Связь через призму является наиболее удобной конфигурацией и дает наилучший предел измерений,но за счет больших размеров такая связь плохо интегрируется. В этом смысле использованиеволновода или оптоволокна намного удобнее. В случае использования оптоволокна снимается небольшой участок оболочки и покрывается слоем металла. Существует несколько различных конфигураций биосенсеров, основанных на оптоволокне: односторонне полированноеодномодовое волокно [41,42], односторонне полированное многомодовое волокно [43], волокнос сохранением поляризации [44] и "D-shaped" волокно [45].Однако, у сенсоров на основе плазмонного резонанса есть несколько особенностей.

Перваязаключается в небольшой глубине проникновения выпадающего поля, составляющей десятки нанометров, в результате чего детектирование происходит только в тонком приповерхностном слое. С одной стороны это позволяет реализовать высокую чувствительность и селективность и существенно уменьшить паразитный фоновый сигнал, но с другой стороныне позволяет детектировать большие соединения, например клетки или бактерии. Втораяособенность в том, что одна плазмонная волна не позволяет разделить информацию об изменении показателя преломления на поверхности и в общем объеме. Для избежания этихпроблем разработан дизайн с использованием одновременно двух чувствительных областейразной длинны [46–50].453.1.2Сенсоры на интерферометрахСледующий класс сенсоров построен на базе интерферометров. В отличие от биосенсора, основанного на принципе поверхностного плазмонного резонанса, биосенсор на основе интерферометра чувствителен к изменениям коэффициента преломления по всему объему ячейки.3.1.2.1Интерферометр Маха-ЦандераВ данных сенсорах реализована схема интерферометра Маха-Цандера при помощи оптоволокна.

Одно из плеч интерферометра взаимодействует с веществом, второе — изолированно. В результате изменения показателя преломления одного из плеч в выходном сигналепоявляется разность фаз, приводящая к изменению интенсивности на фотодетекторе. Дляуменьшения фоновых шумов опорное плечо интерферометра также погружают в буферноевещество. Один способ улучшить чувствительность данного сенсора - увеличить размер центральной жилы волноводов без потери одномодовости, что достигается при использованииантирезонансного отражающего оптического волновода.3.1.2.2Интерферометр ЮнгаСледующий вариант использования интерферометров представляет из себя схему Юнга. Вотличии от схемы с интерферометром Маха-Цандера, выходы обоих плеч не соединяются,а независимо приходят на детектор (ccd-камеру) и образуют на экране интерференционнуюкартину.

Таким образом в качестве выходного сигнала выступает пространственное распределение интенсивности на экране. При сдвиге фазы сигнала из основного канала происходитсмешение интерференционной картины. Данная схема позволяет детектировать нескольковеществ одновременно, для чего необходимо добавить дополнительные плечи, каждое из которых будет взаимодействовать со своей частицей [51]. За счет того, что расстояние междукаждым из основных плеч и опорным плечом разное, общий сигнал можно разделить с помощью фурье-анализа.На основе интерферометра Юнга существует коммерческий продукт AnaLight® от компании Fairfield Scientific [52].3.1.2.3Интерферометр ХартманаЕще одна очень похожая конфигурация использует интерферометр Хартмана [53].

Она представляет из себя планарный волновод, на котором при помощи фотолитотграфии выделеномножество параллельных детектирующих каналов. Одиночные волны линейно-поляризованногосвета от диодного лазера вводятся в волновод при помощи дифракционных решеток, превращаясь в широкий пучок, охватывающий все каналы детектора. На выходе при помощи46дифракционной решетки и других интегральных элементов сигналы из каналов попарно соединяются, образуя независимые интерферометры.3.1.2.4Обратное рассеяниеСледующий класс сенсоров использует интеференцию при обратном рассеянии [54]. Как правило, такие сенсоры состоят из некоторой отражающей подложки, на которую может наноситься или каким-либо образом пропускаться по ней исследуемый образец.

Одномодовыйкогерентный лазер сфокусирован на небольшую область этой подложки и в его поле зрениянаходится лишь малая часть образца. Лазер сканирует всю поверхность образца так, чтов каждый момент отраженный сигнал попадает на детектор, измеряющий интенсивность.Наличие субволновых частиц на сканируемой поверхности приводит к интерференци на детекторе.Одной из реализаций является биологический компакт-диск [55, 56]. В данном случае вкачестве подложки выступает диск. На него наносится препарат, который после высыханиясканируется лазером, как это делается с обычным cd-диском. В процессе такого считыванияна краях больших молекул-рецепторов появляется интерференция.

Очевидно, что интерференционная картина до и после добавления препарата будет различной. Биодиск (BioCD)является коммерческим продуктом компании QuadraSpec [57].Еще одно применение эффекта обратного рассеяния было продемонстрировано Марковым [58]. В данной работе использовался проточный прямоугольный капилляр, стенки которого покрывались молекулами-распознавателями, и освещался сверху лазером. Интерференционный сигнал детектировался лавинным фотодетектором. Результаты были полученытакже и для круглого капилляра. Такая схема позволила осуществить детектирование биомолекулярных реакций в свободном пространстве в отличие от ранее только поверхностных.3.1.3Сенсоры на оптических волноводахК этой группе относятся сенсоры не просто имеющие в своем составе волновод, но немногоотличающиеся от уже упомянутых по принципу действия.3.1.3.1Резонансное зеркалоДатчик на основе резонансного зеркала представляет из себя слоистую структуру: волноводный слой с большим показателем преломления и субстрат (призма) с большим показателемпреломления разделены металлическим слоем или диэлектриком с малыми потерями и с малым коэффициентом отражения [59].