Трёхслойная структура металл/окисел/бактериальный монослой для биосенсоров на основе поверхностного плазмонного резонанса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Кононов, Михаил Анатольевич

• Кононов, Михаил Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Кононов, Михаил Анатольевич

Введение.

Обзор литературы

Оптические сенсорные устройства.

Поверхностные плазмонные волны.

Глава 1. Методы формирования и структурные исследования металлических и диэлектрических пленок с оптимальными резонансными характеристиками многослойных структур.

1.1. Условия проведения эксперимента.

1.2. Металлические мишени для магнетрона.

1.3. Диэлектрические мишени для ионных источников.

1.4. Магнетронная распылительная система.

1.5. Устройство для получения многослойных структур.

1.6. Сканирующая атомно - силовая микроскопия.

1.7. Условия приготовления тонких металлических и диэлектрических пленок

1.8. Ионный источник.

1.9. Влияние ионной бомбардировки поверхности подложек на свойства

1.10. Формирование структуры металлических пленок.

1.11. Формирование буферных оксидных слоев.

1.12. Влияние переходного слоя диэлектрика на чувствительность сенсора.

Глава 2. Применение поверхностных плазмонных волн для определения параметров растущих плёнок.

2.1. Применение поверхностных электромагнитных волн для измерения толщин растущих плёнок.

2.2. Влияние растущей оксидной плёнки на свойства поверхности металлического слоя.

2.3. Определение оптимальной толщины барьерной диэлектрической плёнки. Схема эксперимента.

Глава 3. Поверхностная плазмонная спектроскопия бактериальных слоев.

3.1. Характеристика бактерий со специфическими функциями.

3.1.1. Метанотрофные бактерии.

3.1.2. Метилотрофные бактерии.

3.1.3. Водородокисляющие (водородные) бактерии.

3.2. Выращивание чистых культур метанотрофных, метилотрофных, водородных бактерий и бактерий на этиленгликоль.

3.3. Подготовка чувствительного элемента к эксперименту.

3.4. Методика приготовления чувствительных слоев бактерий.

3.5. Лабораторный макет сенсора.

3.6. Измерение методом 111 IF параметров тестируемых газов.

3.8. Создания прототипа биосенсора.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трёхслойная структура металл/окисел/бактериальный монослой для биосенсоров на основе поверхностного плазмонного резонанса»

Актуальность темы исследования. В настоящее время наблюдается повышенное внимание к созданию новых биосенсоров, способных быстро и надежно детектировать наличие тех или иных химических веществ в исследуемой среде. Одна из основных областей их применения - это технологический и экологический контроль.

Сенсоры с оптическими методами регистрации занимают особое место в этом ряду, поскольку включают в себя высокую чувствительность, простоту изготовления и относительную дешевизну. Разработка на основе оптических методов технологий и создание сенсоров, основанных на использовании чистых иммобилизованных ферментов для определения органических соединений разной природы, получили широкое распространение для решения разного рода аналитических задач. Применение интактных клеток микроорганизмов со специфическими свойствами для целей биосенсорики оказалось наиболее подходящим решением в области создания сенсоров такого типа. Природа сама позаботилась о том, чтобы на все виды органических и не органических веществ создать бактерии утилизирующие (использующих в качестве питания) эти вещества. Создание биооптоэлектронных высокочувствительных селективных сенсоров на основе клеточных монослоев живых бактерий является весьма перспективным направлением в области создания микро сенсоров. Чувствительным элементом в таких датчиках является монослой активных бактерий селективно восприимчивых только к одному типу веществ.

В данной работе были использованьг в качестве чувствительного слоя бактерии: питательной средой, для которых является тестируемые вещества -метан (СН4), метанол (СН3ОН), водород (Н2), этиленглигаль (СН2ОН - СН2ОН). Процесс жизнедеятельности бактерий изменяет оптические свойства среды контактирующей с металлической пленкой, что приводит к изменению условий возбуждения поверхностной плазмонной волны. Информацию о состоянии молекул чувствительного слоя до их реакции с тестируемым веществом и после нее можно получить с помощью оптических методов, связанных с регистрацией изменения параметров поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ).

Цель работы.

В работе была показана возможность исследования бактериальных клеток методом, в основе которого лежит возбуждение поверхностных электромагнитных волн на границе раздела двух сред. На основании полученных результатов, используя, метод Кречмана создать сенсор селективно чувствительный к определённому типу молекул в смешанной газовой среде.

В диссертационной работе были поставлены и решены следующие основные научные задачи. Исследовано поведение бактерий в средах различных газов. Получены данные о поведении бактерий Blastobacter viscosus, Methyljmonas, Methylobacterium organophilum и Renobacter vacuolatum в течение длительного времени в качестве чувствительного элемента биосенсора. Показана возможность многократного использования некоторых чувствительных слоев вследствие реверсивности свойств бактерий в отсутствие или понижении концентрации тестируемого вещества. Исследовано влияние шероховатости поверхности подложки, с помощью атомно - силоврй микроскопии на чувствительность метода. Исследовано влияние обработки поверхности подложек ионной бомбардировкой для получения минимальной шероховатости, что позволяет обеспечить отклик с полушириной резонансной кривой AW = 0.1° для регистрации малых концентраций тестируемого вещества. Создано устройство для ионной обработки поверхности подложек и нанесения на них тонких металлических пленок, которое представляет собой магнетрон со встроенным в него ионным источником. Создано устройство для контроля толщины напыляемых пленок. Разработана конструкция для получения в едином цикле подложек для чувствительного элемента заданных параметров.

Научная новизна работы.

1. Получен и исследован новый класс пленок представляющий собой слой бактерий селективно чувствительный к данному типу молекул среды. Установлено, что существует обширный класс бактерий, из которого можно подобрать и сформировать простым способом чувствительный монослой.

2. Исследована зависимость чувствительности бактериальных слоев от концентрации тестируемых молекул в атмосфере. Показано, что некоторые бактерии обладают очень хорошей реверсивной способностью, что дает преимущества сенсорам подобного типа перед аналогичными устройствами.

3. Разработан универсальный прибор для получения металлических и диэлектрических плёнок, на стеклянной подложке, методом магнетронного распыления. Разработанное устройство позволяет управлять процессом роста плёнки посредством встроенного ионного источника и оптического контроля толщины напыляемой плёнки. Предложено оптоэлектронное устройство для измерения и контроля толщины напыляемой пленки, в основе которого лежит метод возбуждения ПЭВ по схеме Кречмана. Отработана методика получения двухслойных пленок металл/диэлектрик заданных толщин.

4. Предложен новый тип оптических сенсоров чувствительным элементом, в которых является монослой бактерий.

Практическое значение работы. Полученные в работе экспериментальные результаты показали, что бактериальные пленки могут быть использованы в биосенсорных устройствах на большинство газов являющихся непременным фоном во многих научных лабораториях и промышленных производствах. Были созданы несколько образцов датчиков полупромышленного типа на метан, метанол, водород и этиленгликоль готовых при минимальной доводке быть запущены в производство. На основе сенсоров использующих реверсивные способности бактерий созданы экспериментальные образцы датчиков, с помощью которых возможно следить за концентрацией в атмосфере сразу нескольких газов в течение длительного промежутка времени, не меняя чувствительный элемент.

Обзор литературы.

Оптические сенсорные устройства. Исследования и создание разнообразных чувствительных устройств предназначенных для контроля за состоянием окружающей среды уже на протяжении ряда лет занимает важное место во многих областях науки и техники. Со времён создания первых таких устройств были сделаны большие успехи в области технического развития и применения сенсоров. Одно из направлений в этом ряду стало создание биосенсоров.

Первые опто-химические сенсоры появившиеся немногим более двадцати лет назад основывались на измерениях в спектрах поглощения и были разработаны для измерений концентраций СОг и Ог [1-3]. Теперь список используемых оптических методов очень широк. В него входят, например, такие методы как эллипсометрия, спектроскопия (люминесценция, фосфоресценция, флюоресценция и метод Рамана) интерферометрия, спектроскопия направленных мод в волноводных оптических структурах и метод, в основе которого лежит возбуждение ППР (поверхностный плазменный резонанс) на проводящей поверхности. В этих сенсорах количественные параметры определяются измерением показателя преломления, поглощения и флюоресцирующих свойств анализируемых молекул или хемо-оптических преобразующих средах [4-6].

Возможности ППР для исследования характеристик тонких пленок были поняты еще в середине 70х годов. В 1982 был продемонстрирован первый биосенсор. ППР использовали для детектирования газов, C.Nylander и B.Liedberg [7-9]. Развитие новых конструкций сенсоров такого типа имеет место и сегодня. Много работ было сделано в последнее время по применению ППР для оптических биосенсоров [10-23]. Во многих работах ППР, наряду с другими методиками, используется в качестве стандартного метода для исследования различных биохимических объектов. В этом случае часто используются серийные приборы, работающие на эффекте ППР, например BfAcore шведской фирмы Pharmacia, а биохимические образцы приготовляются в виде пленок.

В работе[24], например, описывается сенсор с чувствительным элементом, выполненным в виде оптического волокна, небольшой участок внешней поверхности которого отполирован и на него нанесена металлическая пленка для получения эффекта ППР. Металлическая пленка в свою очередь покрыта диэлектрической пленкой с высоким показателем преломления для того, чтобы можно было бы тестировать химические образцы в широком диапазоне их показателей преломления. На эту диэлектрическую пленку наносится пленка из вещества, которую нужно подвергнуть анализу. При определенных условиях электромагнитная волна, распространяющаяся в волокне, возбуждает поверхностные плазмоны в металлической пленке, причем условия возбуждения сильно зависят от показателя преломления исследуемого вещества. В данной работе получено дисперсионное уравнение, описывающее сенсор, а также описываются детали конструкции и работы сенсора.

В работе[25] обсуждаются результаты исследований чувствительности измерения показателя преломления и динамический диапазон измеряемых значений показателя преломления волоконно-оптического сенсора на основе ППР. В экспериментах использовался набор жидкостей со стандартизированными показателями преломления. Чувствительность в определении показателя преломления составила 5,0x10"4 - 5,0х10"5 и диапазон измеряемых значений показателей преломления 1,25 - 1,40. С целью увеличения динамического диапазона конструкция сенсора была изменена путем нанесения тонких добавочных пленок с высокими показателями преломления. В этом случае динамический диапазон составил значения от 1,00 до 1,40. При использовании оптического волокна с сердцевиной изготовленной из сапфира достигнут верхний предел динамического диапазона равный 1,70.

Следующие работы, посвящены поиску новых органических систем с целью использования их в качестве чувствительных элементов сенсоров. Работа [26] является обзором биологических молекул и систем (включая антитела, ферменты (энзимы) и целые клетки), которые могут быть использованы в качестве чувствительных элементов биосенсоров. Критически рассмотрены "плюсы" и "минусы" соответствующих технологий и проанализированы значения практически важных параметров (отношение сигнал-шум и т.д.). Освещена важность эффективной связи между биологической и регистрирующей частями биосенсора. Обсуждены тенденции и направления в исследованиях по созданию биосенсоров.

В работе[27] описаны исследования фосфолипидных бислоев с транспортными протеинами и поверхностями раздела антиген-антитело с целью создания биосенсорных систем. Две системы с возможностью применения в биосенсорах исследовались оптическими методами: спектральная эллипсометрия, ППР и спектральная интерферометрия. Для этих методов сравнивались качество характеризации, затраты на приготовление образцов и на процесс измерения, а также временное разрешение.

В работе[28] продемонстрировано, что монослой алкитиола связанный с синтетическим пептидом, нанесенный на золотую подложку может служить рецептором на молекулы протеина. Измеренная константа связи сравнима в этом случае с константой связи в реакции антитело-антиген. Показано, что рецептор обладает свойством реверсивности.

В работе[29] обсуждаются возможные применения нового типа биосенсора, описанного в работе[30]. В частности, рассмотрена возможность регистрации взаимодействий антиген-антитело и фермент-субстрат-ингибитор. Резонансно-зеркальный сенсор регистрирует изменения показателя преломления и/или толщины, происходящих в нескольких сотнях нанометров от поверхности сенсора. Чувствительность сенсора такого типа в экспериментах по регистрации взаимодействия антиген-антитело составила 212 фемтомолей активного антитела на мм2 поверхности, что эквивалентно 9 монослоям антитела.

Показаны способы дальнейшей модификации сенсора с целью повышения чувствительности и селективности.

В работе[31] описан способ улучшения чувствительности иммунологического теста на основе эффекта ППР (Enhanced Surface Plasmon Resonant Inhibition Test - ESPRIT) посредством использования латексных шариков субмикронных размеров.

В работе[32] описываются исследования в области применения рефлектометрической интерференционной спектроскопии (RIFS) для систем регистрации в биосенсорах. Основными преимуществами системы регистрации использующей данный метод является ее не насыщаемость, малая активная (регистрирующая) область и простота конструкции.

Рассмотрены способы улучшения чувствительности сенсора путем повышения величины соотношения сигнал-шум. Достигнутая чувствительность на протеиновых образцах около 10 нг/мм2.

В работе[33] предложена новая схема использования дифракционной решетки для прототипа сенсора на газы на основе ППР. Дифракционная решетка поворачивалась азимутально так, что штрихи решетки не были перпендикулярны плоскости падения света, а находились под некоторым углом, что позволяло наблюдать резонансный максимум интенсивности отраженного света (в отличие от обычно регистрируемого минимума).

Работа такого сенсора основана на измерении данного резонансного максимума на фоне слабого сигнала, а также возможность использования чувствительной головки удаленной от источника и детектора посредством оптического волокна. Возможности использования такого сенсора продемонстрированы регистрацией паров изопропилового спирта, концентрация которого эквивалентна слою толщиной 0,9 нм на поверхности дифракционной решетки.

Таким образом, метод ППР, показывает большие возможности как метод работающий в режиме реального времени. Сенсоры на основе ППР производятся несколькими фирмами (http\www. biacore.com, http\www.ti.com:spr, http\www. biosensor.com, http\www.biotul.com).

Поверхностные плазмонные волны. Поверхностные плазмонные волны (ППВ) - это электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль границы раздела двух сред и затухающие экспоненциально в направлении, перпендикулярном этой границе [34-36,65]. ППВ, описываются решением системы уравнений Максвелла с соответствующими граничными условиями, и известны начиная с работ А.Зоммерфельда (A.Sommerfeld) [37,38]. Д.Пайнс (D.Pines) и Д.Бом (D.Bohm), авторы работы [39], ввели термин "поверхностные плазмоны", под которым понимают возбуждение поверхностного газа свободных электронов, содержащегося в объеме металлического образца. Существование плазмонов на границе раздела металла и диэлектрика теоретически обосновали Р.Риччи и Г.Элдридж (R.H.Ritchie, H.B.EIdridge) [40,41]. Е.Штерн и Р.Феррелл (E.A.Stern, R.A.Ferrell) [42,43] получили дисперсионное соотношение, связывающее частоту w и волновой вектор кх ППВ на границе раздела металл-диэлектрик.

Возбудить ППВ в серебряной пленке и зарегистрировать их впервые удалось А.Отто (A. Otto) [36], который применил для этого метод нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Схема Отто была впоследствии изменена А.Кретчманом [35], предложившим использовать свойства поверхностных плазмонных волн для исследования тонких металлических плёнок рис1.

Если существуют две среды рис.2, которые имеют общую границу и их диэлектрические постоянные равны so=e'o +is"o, ei=s'i + is"i , где e'i<0,

Схема Кречмана kx Re • (кх)

Асимптоты я дисперсионные кривые ПЭВ на границе раздела е/е0 и e^fei.

Схема Отто Ш 1

Металл k кх Re • (кх)

Возбуждение ПЭВ с помощью решётки

Асимптоты и дисперсионная кривая ПЭВ, распространяющейся вдоль границы раздела si/so к-с

Дисперсионная кривая ПЭВ. s"o=0, so >0, т.е. первая среда прозрачная, а вторая проводящая, и на поверхность проводящей среды падает электромагнитная волна (ЭМВ) с частотой w и вектор нормальной составляющей Ej электрического поля волны испытывает разрыв на границе раздела. Тогда решениями уравнений Максвелла в обеих средах являются:

Н = Н г[г (к х х - wt )]ехр (- к Ziz\z < 0 Н = Н 0 ]i(kxx - wt )]ехр (- к z), z > 0 кх -компонента волнового вектора вдоль направления распространения,^- в средах (0) и (1). Поле такого вида удовлетворяет уравнениям Максвелла вместе с граничными условиями в случае Р-поляризации (ТМ-мода). Поле с S-поляризацией (ТЕ-мода) на границе сред с /иг= 1 не может удовлетворять граничным условиям ни при каком значении волнового вектора. Следовательно, в ППВ Я имеет только одну составляющую Ну, а Ё лежит в плоскости (х,у). Решая уравнения, получим:

Н\ =На

2)

К кг о — 1

Из (2) следует, что ППВ может существовать только на границе раздела сред с диэлектрическими проницаемостями разных знаков. Как правило, для металлов в достаточно большом частотном диапазоне, на границе металл - диэлектрик выполняется условие существования ППВ.

Из решения уравнений Максвелла можно получить выражение для к2 -компоненты волнового вектора ППВ:

Рис.2 z0

К ~~ \2Хг

CJ k=kl-ь г л2Тг

О) J

3)

4) знак выбран так, чтобы Re(Ar„ )>0 и Re(£ )>0, т.к. в рассматриваемой системе волна затухает, удаляясь от поверхности. Из (3) и (4) получается дисперсионное уравнение для ППВ: k = W j £lS0 (5) cy^+So

Дисперсионная зависимость w = f{Re(kx)) изображена на рис.1. Прямая

2ж с w = Л

6) определяет дисперсию плоских электромагнитных волн ЭМВ, распространяющихся в среде с е0;

W.

W, =

7) асимптота, wp - плазменная частота проводящей среды с диэлектрическои проницаемостью s]. Как видно из рисунка, фазовая скорость ллазмонной волны vph всегда меньше фазовой скорости ЭМВ в среде е0: ph

С Re h^fL

8) so V s\ V so т.е., для данной частоты w параллельная к поверхности компонента светового волнового вектора меньше соответствующей компоненты волнового вектора ППВ. Поэтому плазмонные волны не могут быть возбуждены непосредственно с помощью световой волны, распространяющейся в одной из двух сред. Имеется несколько возможностей согласовать фазовые скорости волн, но наибольшее распространение получили эксперименты по наблюдению ППВ методом нарушенного полного внутреннего отражения [35,36]. В этом случае для возбуждения плазмонных волн используется призма с коэффициентом преломления n0>n2- Je^.

Первоначально взаимодействия ЭМВ с поверхностной волнрй удалось добиться, задавая определенную пространственную модуляцию свойств поверхности. То есть если Ак характерная пространственная частота этой модуляции, то ЭМВ с параметром(со,кх) может взаимодействовать с поверхностной модой (ш,кх + Акх), если согласовать ЭМВ и ПЭВ решетки, что эффективно сдвигает прямую компоненту вправо. В частности, возможно наблюдение генерации ПЭВ на шероховатой поверхности.

Однако, в силу технологической сложности создания модулированной поверхности, наибольшее распространение получили эксперименты по наблюдению ПЭВ методом (НПВО). Широко известны две реализации описанного эксперимента[35,36,44,45]: в геометрии Отто, где воздушная прослойка (среда so) находится между стеклянной призмой (ег') и металлом (si'); в геометрии Кречмана, где на призму (ег') нанесена тонкая проводящая пленка (si') рис.1, в роли среды so' может служить газ или жидкость такие, что so' < S2- Схема Кречмана предпочтительнее для наших целей, так как нас интересуют свойства внешней среды, а подбор оптимального зазора в схеме Отто технологически труден.

Принципиально возможны два типа экспериментов в геометрии Кречмана: для данной частоты, при которой реализуется плазмонный резонанс и, наоборот, определять частоту для выбранного угла. Описанная в работе схема реализует первый тип экспериментов и позволяет проводить измерения практически мгновенно. Если же вместо одночастотного лазера использовать лазер с перестраиваемой длинной волны (например, полупроводниковый), то возможна реализация обоих типов одновременно.

В схеме Кретчмана на основание призмы наносится слой проводящего материала с диэлектрической проницаемостью ех и толщиной . Возбуждающее излучение направляется на металлическую пленку со стороны призмы под углом в, большим угла полного внутреннего отражения: в>втм = arcsin (9)

Фазовая скорость распространяющейся в призме волны вдоль оси х дается выражением: с sin в С10) vPh =

Поле волны, затухающее по экспоненциальному закону проникает сквозь пленку и достигает внешней границы раздела sxl е2, на которой при согласовании фазовых скоростей возбуждается ППВ.

Когда наступает резонанс, большая часть энергии возбуждающего излучения преобразуется в энергию плазмонной волны, поэтому резко уменьшается интенсивность пучка, отраженного от проводящего слоя. Измерив, зависимость коэффициента отражения R от угла падения в, можно вычислить диэлектрическую проницаемость металлической пленки: s\ = Re(g|) =

1 - Je2 sin 9й

И) cos^0 2 где 6>0 угол, при котором наступает резонанс, Rmm минимальное значение коэффициента отражения, Wein ширина резонансного провала на половине его высоты. Алгоритм вычисления толщины пленки описан в работе [46].

Поскольку практически вся энергия ППВ сосредоточена в области границы раздела, условия резонанса чрезвычайно чувствительны к любым изменениям в этой области, что и позволяет применять метод ППР для изучения свойств различных тонких слоев [47-49], а так же использовать его для контроля за состоянием активного слоя биосенсора. Причем, точность производимых измерений зависит от глубины и ширины резонансного провала, а они, в свою очередь, определяются параметрами пленок и возбуждающего излучения [50-53].

Минимальная величина, коэффициента отражения R^, которая может достигать нулевого значения, зависит от потерь энергии внутри проводящего слоя (внутренние потерю). Минимум резонансном полуширины Wexn определяется потерями на переизлучение в призму (радиационные потери), которые, как и потери в проводящем слое, зависят от толщины dx. Если толщина велика, радиационные потери малы и ширина определяется, в основном, внутренними потерями.

Когда внутренние потери равны потерям радиационным, а резонансное поглощение A=\-R максимально, можно получить выражение для оптимальной величины dx [44].

Экспериментально полученная зависимость коэффициента отражения R от угла падения возбуждающего излучения (в) (2=546.1 нм), для различных толщин проводящего слоя в системе призма (п=1.51)-^-слой-воздух, представлена на рис.3. При больших толщинах велики радиационные потери, резонансный провал на графике неглубокий. С уменьшением толщины полуширина резонансной кривой увеличивается. Видно, что при данной длине волны наилучшее значение dx =49нм.

12) Г

21 s,k.

1,00-1 1 2 3

Рис.3 Экспериментальная зависимость R(6) для системы призма- плёнка Ag- воздух при различных значениях длинны волны.

Рис.3

1. Х= 632.8нм; 2.1= 540нм; 3. А=452нм

0,00

42,0 42,6 43,0 43,5 44,0 44,5 45,0 45,5 46,0 46,5 47,0 47,5 48,0

В каждом конкретном случае достаточно сложно учесть все условия, чтобы создать металлическую пленку подходящей толщины. Поэтому оптимизацию ее параметров удобнее всего производить в процессе напыления (глава 1).

Доля энергии возбуждающего излучения, поглощаемая в проводящем слое, сильно зависит от величины fj^Im^,). Экспериментально полученная зависимость К(в) для системы призма (п=1.52)-Ag(s[ = -18.3; dx-56 нм) - воздух для различных значений е[ при к =632.8 нм приведена на рис.4 [54]. Радиационные потери, при достаточно малых значениях^", преобладают над потерями внутренними, поэтому глубина резонансного провала невелика. При больших значениях s" значительная часть возбуждающего излучения отражается от проводящего слоя, не достигнув его внешней поверхности, что снижает эффективность возбуждения ППВ.

На рис.5 приведены экспериментальные зависимости R{9) для системы призма-Ag -воздух при различных значениях длины волны к возбуждающего излучения [55] С уменьшением X минимум становится шире, так как при этом увеличивается внутреннее затухание. При распространении ППВ вдоль границы раздела двух сред, напряженность ее поля убывает по экспоненциальному закону exp(-2Im(£x)r), значит, расстояние, на котором энергия волны уменьшается в е раз равно[56]:

2|lm(£j

Как показали теоретические расчеты и экспериментальные исследования, величина L порядка 1СГ2см, если X относится к видимой области спектра и может достигать нескольких сантиметров в ИК диапазоне [44,57,58].

Если поверх металлической пленки нанесен слой еще какого-либо вещества, его параметры тоже будут оказывать влияние на эффективность возбуждения ППВ.

42 43 44 45 46 47 в°

Рис .4 Зависимость R(@) для системы призма- плёнка Ag- воздух при различные значениях ъ". l.e1" = 2;2. Ej"=0.2;3.^'=0.4.

Рис.5 Зависимость в схеме Кречмана для различных толщин dj пров одящего слоя. 1=546.1 ни.

1-4= 800нм.

2-dj= 500нм

3-df 400нм

4- dj= 200нм

20

Как следует из результатов исследований [59-64], в случае не поглощающего слоя с диэлектрической проницаемостью еъ при увеличении его толщины d2 (например, в процессе адсорбции или окисления) коэффициент отражения R(o) изменяется незначительно, зато растет ширина AW91/2 резонансного провала и существенно сдвигается резонансный угол (<90). Экспериментальные результаты для не поглощающего покрытия из А120э(пз =1.72), ZrC>2 (n3=2.03), Si02(n3 =1.44) на серебряной пленке {ех= -18.39+Ю.53) при длине волны возбуждающего излучения Я =632 нм приведены на рис.6. При использовании поглощающего слоя ширина AWe резонансного провала растет с увеличением d3 значительно быстрее, чем в случае не поглощающего слоя, а Я(в0) существенно уменьшается рис.7.

В результате проведенных экспериментальных исследований оказалось возможным использовать чувствительность данного метода и в случае, когда поверх проводящего слоя Ад наносится тонкий подслой (4 -20)нм диэлектрика и монослой бактериальных клеток (толщина монослоя 200 - ЗООнм), которые являются чувствительным элементом биосенсора.

0,град

Экспериментальная зависимость R(9) для системы призма-плёнка Ag- непоглощаюпщй А1203 слой- воздух при различных значениях А12Оз слоя.

1. d3 = 50А; 2. d3 = 150А; 3. d3 = 250А; 4. d3 - 400А. Рис.6.

6,град

Экспериментальная зависимость R(6) для системы призма-плёнка Ag- поглощающий слой Pd - воздух при различных значениях слоя Pd.

1. чистая пленка серебра; 2. d3 = 2А; 3. d3 = 5А; 4. d3 = 10А.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Кононов, Михаил Анатольевич

Основные результаты и выводы диссертации.

1. Предложен новый тип оптоэлектронных сенсоров с чувствительным элементом из монослоя бактерий. На основании экспериментальных данных показана возможность использования бактериального монослоя в качестве чувствительного элемента, селективно восприимчивого к одному типу молекул Обнаружено, что в процессе метаболизма бактерий изменяется толщина их монослоя. Изменение толщины влияет на резонансные характеристики проводящей пленки, что приводит к сдвигу кривой ППР по которой определяется концентрация тестируемого газа.

2. Установлено, что бактерии обладают реверсивными свойствами. В отсутствие утилизируемого газа метаболизм клеток ослабевает, что приводит к сдвигу положения резонансного минимума в сторону исходного положения.

3. Экспериментально изучено влияние шероховатости поверхности подложки на свойства резонансных характеристик проводящей пленки. Показано, что на эти свойства сильно влияет не только поверхность проводящей пленки, но и качество границы раздела подложка/проводящая пленка. Разработана методика и найдены режимы работы установки для получения оптимальных свойств двухслойных структур металл/диэлектрик. Разработана электронно - оптическая схема управления процессом роста металлических и диэлектрических пленок заданных толщин с точностью 0.1 нм для оптимизации параметров резонансного возбуждения ПЭВ. Создано оптико-электронное устройство для измерения и расчета оптимальных характеристик трехслойной системы как рабочего элемента сенсора.

4. Предложено использовать метод ППР для изучения метаболизма бактерий при их селективной утилизации молекул газа.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Кононов, Михаил Анатольевич, 2001 год

1. 1. Pockrand, J.D. Swalen, J.G. Gordon, M.R. Philpott, Surface ptasmon spectroscopy of organic monolayer assemblies, Surface Sci. 74 (1978)p.p. 237-244.

2. J.G. Gordon II, S. Ernst, Surface plasmons as a probe of the electrochemical interface, Surface Sci. 101 (1980) p.p. 499-506.

3. D.W. Lubbers, N. Opitz, Eine neue pC02 -bzw: p02 -Messonde zur Messung des pC02 oder p02 von Gasen und Flussigkeiten, Zeitschrift Fur Naturforschung С 30 (1975) pp. 532-533.

4. A. Brecht, G. Gauglitz, Optical probes and transducers, Biosensors Bioelectron. 10 (1995) pp. 923-936.

5. G. Gauglitz, Opto-Chemical and Opto-lmmuno Sensors, Sensor Update vol. 1, VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim, 1996.

6. G. Boisde, A. Harmer, Chemical and biochemical sensing with optical fibers and waveguides, artech house, Boston 1996.

7. C. Nylander, B. Liedberg, T. Lind, Gas detection by means of surface plasmons resonance, Sensors and Actuators 3 (1982) p.79-88.

8. B. Liedberg, C. Nylander, I. LundstroE m, Surface plasmons resonance for gas detection and b'rosensing, Sensors and Actuators 4 (1983) p.299-304.

9. B. Liedberg, C. Nylander, I. LundstroE m, Biosensing with surface plasmon resonance how it all started, Biosensors Bioelectron. 10 (1995).

10. Валянский С.И., Виноградов С.В., Кононов М.А., Савранский В.В. Модулятор и дефлектор света на основе эффекта поверхностногоплазмонного резонанса. Известия РАН "Физика" т.63, №10, 1999, с. 2010 -2012.

11. P.I. Nikitin, А.А. Beloglazov, M.V. Valeiko, J.A. Creighton, AM. Smith, N.A. Sommerdijk, J.D. Wright, Silicon-based surface plasmon resonance chemical sensors, Sensors and Actuators В 38 (1997) p.53-57.

12. Никитин Д.И., Савранский В.В.Валянский С.П., Виноградов С.В., Кононов М.А., Прохоров А.М. Сенсор на метан с чувствительным элементом из монослоя бактерий. КСФ, № 3, стр. 47 50, 1999 г.

13. P.I. Nikitin, A.A. Beloglazov, V.E. Kochergin, М.А. Valeiko, T.I. Ksenevich. "Surface plasmon resonance interferometry for biological and chemical sensing". Sensors and Actuators B, Vol.54, pp. 43-50, 1999.

14. В. Liedberg, I. Lundstrom, Е. Stenberg, Principles of biosensing with an extended coupling matrix and surface plasmon resonance, Sensors and Actuators В 11 (1993), pp.63-72.

15. L.M. Zhang, D. Uttamchandani, Optical chemical sensing em-ployingsurface plasmon resonance, Electron. Lett. 23 (1988) 1469-1470.

16. R.C. Jorgenson, S.S. Yee, A fiber-optic chemical sensor based on surface plasmon resonance, Sensors and Actuators В 12 (1993) 213-220.

17. P.S. Vukusic, G.P. Bryan-Brown, J.R. Sambles, Surface plasmon resonance on grating as novel means for gas sensing, Sensors and Actuators В 8 (1992) 155-160.

18. К. Matsubara, S. Kawata, S. Minami, Optical chemical sensor based on surface plasmon measurement, Appl. Opt. 27 (1988) 1160-1163.

19. Jorgenson R.C., Yee S.S. Control of the dynamic-range and sensitivity of asurface plasmon resonance based fiber optic sensor. Sensors and Actuators. A. Physical. 1994, Vol 43, Iss 1-3, pp. 44-48.

20. Byfield M.P., Abuknesha R.A. Biochemical aspects of biosensors. Biosensors and Bioelectronics. 1994, Vol 9, Iss 4-5, pp. 373-400.

21. Striebel C., Brecht A., Gauglitz G. Characterization of biomembranes by spectral ellipsometry, surface plasmon resonance and interferometry with regard to biosensor application. Biosensors and Bioelectronics. 1994, Vol 9, Iss 2, pp. 139-146.

22. Kooyman R.P.H., Vandenheuvel D.J., Drijfhout J.W., Welling G.W. The use of self-assembled receptor layers in immunosensors. Thin Solid Films. 1994, Vol. 244, Iss 1-2, pp. 913-916.

23. Severs A.H., Schasfoort R.B.M. Enhanced surface-plasmon resonance inhibition test (esprit) using latex-particles. Biosensors and Bioelectronics. 1993, Vol 8, Iss 7-8, pp. 365-370.

24. Brecht A., Gauglitz G. Optimized layer systems for immunosensors ased on the rifs transducer. Fresenius journal of analytical chemistry. 1994, Vol 349, Iss 5,pp. 360-366.

25. Jory M.J., Vukusic P.S., Sambles J.R. Development of a prototype gas sensor using surfaoe-plasmon resonance on gratings. Sensors and actuators. B. Chemical. 1994, Vol 17, Iss 3, pp. 203-209.

26. R.W. Wood, On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum, Phil. Magm. 4 (1902), pp.396-402.

27. E. Kretschmann, H. Raether, Radiative decay of non-radiative surface plasmons excited by light, Z. Naturforsch. 23A (1968), pp. 2135-2136.

28. A. Otto, Excitation of surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection, Z. Physik216 (1968), pp. 398-410.

29. ASommerfeld, "Uber die Ausbreitung der Wellen in der drahtlosen Telegraphie", Annalen der Physik,1909,B.28,s.665

30. ASommerfeld, "Uber die Ausbreitung der Wellen in der drahtlosen Telegraphie", Annalen der Physik,1909,B.28,s.665

31. A.Sommerfeld, Vorlesungen uber theoretische Physik, Bd.4, 32, Wiesbaden: Dieterich,1947

32. D. Pines, D.Bohm, "A Colfektive Description of Elektron Interactions", Phys. Rev., 1952,v.85,pp.338-353

33. R.H.Ritchie, "Plasma Losses by Fast Elektrons in Thin Films", Phys.Rev.,1957,v.106,pp.874-881

34. E.A.Stern, R.A.Ferrell, "Surface Plasma Oscillations of a Degenerate Elektron Gas", -Phys.Rev.,1960,v.120,pp.130-13643. .E.A.Stern, R.A.Ferrell, "Predicted Radiation of Plasma Oscillations in Metal Films", Phys.Rev., 1958,v.111 ,pp.1214-1222

35. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на границах раздела сред. Под ред. В.М.Аграновича, Д.Л.Миллса. М.Наука,1985.

36. А.К.Никитин,А.А.Тищенко,"Поверхностные электромагнитные волны и их применение", Зарубежная радиоэлектроника,1983,N3 с. 38-56.

37. Lopez—Rios Т., Vuye F. —Surface Sci., 1979 v. 81, Nb 2.

38. Gordon J. G., Swalen J. D. — Opt. Comm. 1977, v. 22, ,Nb 3.

39. Pockrand I. Swalen J. D. e. a. —Surface Sci., 1977, v. 74. .Nb 1.

40. Pockrand I., Swalen J. D. — J. Opt. Soc. Am. 1978, v. 68, Nb 8.50. . Bruns R. Raether H. — Z. Physik, 1970, B. 237, S. 98—106.

41. Weber W. H. — Phys. Rev. Lett, 1977, v. 39. .Nb 3.

42. K.A. Peterlinz, R. Georgiadis, Two-color approach for determination of thickness and dielectric constant of thin films using surface plasmon resonance spectroscopy, Opt. Commun. 130 (1996) 260-266.

43. Lopez—Rios Т. Vuye G. — II. Nuovo Cim., 1977, v. 39B, .Nb 2.

44. H.J.Simon, D.E.Mitchell, J.G.Watson,"Surface plasmons in silver films-a novel under graduate experiment", Am. J. Physic, 1975, v.43,N7

45. P.E.Ferguson, F.R.Wallis, G.Chauvet, "Surface plasma waves in the noble metals", Sur.Sci.,1979,v.82,pp.255-269

46. E.T.Arakawa, M.W.Willrms, "Effect of damping on surface plasmon dispersion", Phys.Rev. Lett., 1973,v.31,pp. 1127-1129

47. J.Schoenwald, E.Burstein, M.EIson, "Propagation of surface polaritons over macroscopic distances at optical frequencies", Solid State Commun., 1973, v. 12, pp. t85

48. M.Fukui, V.C.Y.So, R.Normandin, "Lifetimes of surface plasmons iri thin films", Phys.Stat.Sol.(b), 1979,v.91,p.K61-K67

49. Alexander R. W., Kovener G. S. e. a. — Phys. Rev. Lett., 1974, v. 32, .N(3 4.

50. Agranovlch V. M. e. a. — Opt. Comm., 1974, v. 11, .Nb 2.

51. Ward C. A. Alexander R. W. e. a. — Phvs. Rev. B, 1975, v. 12, Nb 8.

52. Bryan D. A, Begley D. L. e. a. —Surface Sci., 1976, v. 57, .Nb 1.

53. Bhasin K., Bryan D. A. e. a. — J. Chem Phys., 1976. v. 64, Nb 12.

54. Hoist K., Raether H. — Opt. Comm. 1970, v. 2. Nb 7.

55. Данилин Б. С. Вакуумное нанесение тонких пленок. М.: Энергия, 1967.

56. Прицкевич Р. Н., Обухов В. Е., Точицский Э. И. Ионно-кластерный и автоэмиссионный методы получения пленок// Зарубежная электронная техника. 1982. Вып. 8. С. 3—26.

57. Васильев В. Ю., Сухов М. С. Аппаратура и методика осаждения слоев при пониженном давлении. Обзоры по электронной технике. Сер. 7. 1985. Ч. I. Вып. 3 (1087). С. 46; Ч. II. Вып. 4 (1088). С. 52.

58. Electron-cyclotron-resonans microwave plasma system for thin film deposition. S. R. Mejia, R. D. McLeod, К. С. Kao, H. C. Card. Rev. Sci. Instrum. 1986. VoL 57, N 3. pp. 493^97.

59. Саенко В. А. Устройства термоионного осаждения. Приборы и техника эксперимента. 1985. № 5. С. 9—21.

60. Лабунов В. А., Рейссе Г. Ионно-лучевые источники для обработки поверхности твердых тел и получения тонких пленок. Зарубежная электронная техника. 1982. Вып. 1. С. 1—42.

61. Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы. Приборы и техника эксперимента. 1978. № 4. С. 7—18.

62. Данилин Б. С., Киреев В. Ю. Получение пленок равномерной толщины при ионном распылении. Приборы и техника эксперимента. 1972. Вып. 23. С. 36—56.

63. Yurasova V. Е., Eitekov V. A. Models of single crystal sputtering. Vacuum. 1982. Vol. 32, № 7. P. 399—432.

64. Данилин Б. С., Киреев В. Ю., Сырчин В. К. Энергетическая эффективность процесса ионного распыления материалов и систем для его реализации. Физика и химия обработки материалов. 1979. № 2. С. 52—56.

65. Плешивцев Н. В. Физические проблемы катодного распыления. М.:ИАЭ им. И. В. Курчатова. 1979. 87 с.

66. Hom-ma Y., Harada S., Kaji Т. LSI Surface Leveling by RF Sputter Etching. J. Electrochem. Soc. 1979. Vol. 126. № 9. P. 1531—1533.

67. Hoffman V. E., Chang H. M. Individual wafer metallization utilizing load-locked. dose coupled conical magnetron sputtering. Solid State Technol. 1981. Vol. 24, №2. P. 105—111.

68. Westwood W. D. Calculation of deposition rates in diode sputtering systems. Vac. Sci. Technol. 1978. Vol. 15. № 1, P. 1—9.

69. Meyer K., Schuller 1. K., Faico С. M. Thermalization of sputtered atoms J. Appl. Phys. 1981. Vol. 52. № 9. P. 5803—5805.

70. Mase H., Tanabe Т., Miyamoto G. Direct measurement of diffusion coefficients of sputtered atoms in Ar/J. Appl. Phys. 1979. Vol. 50, № 5. pp. 3684— 3686.

71. Kotani H., Yakushiji H., Harada H. e. a. Sputter etching planarization for multilevel metallization. Electrochem. Soc. 1983. Vol. 130, № 3. pp. 645—648.

72. Eschwei M., Gottfried S. Sputter-etch plus evaporated film technique for inexpensive reliable ohmic contacts to silicon devices. Vac. Sci. Technol. 1977. Vol. 14, №5. pp. 1214—1216.

73. McLeod P. S., Hughes J. L. Effect of sputter etching and process techniques on properties of sputtered alminium films. J. Vac. Sci. Technol. 1979. Vol. 16, № 2. pp. 369—376.

74. Gamag J., Tazima T. Discharge cleaning experiment in IFT-2 Tokamak which surface observation by AES. J. Vac. Sci. Technol. 1978. Vol. 15, № 1. pp. 103— 107.

75. Лабунов В. А., Данилович H. И., Громов В. В. Многопучковые ионные источники для систем ионного травления — распыления. Зарубежная электронная техника. 1982. Вып. 5. С. 82—120.

76. Лабунов В. А., Рейссе Г. Ионно-лучевые источники для обработки поверхности твердых тел и получения тонких пленок. Зарубежная электронная техника. 1982. Вып. 1. С. 1—42.

77. Oberleithner //., Giebisch G., Geibel J. (1993) European Journal of Phisiology. 425. p.p. 506-510

78. Данилин Б. С., Сырчин В. К. Магнетронные распылительные системы, М.: Радио и связь, 1982. 72 с.

79. Корчагина М. Н., Савенков Н. В., Корчагин Б. В. Математическое моделирование рабочих характеристик магнетронных систем ионного распыления. Электронная техника. Сер. 1. 1986. Вып. 1 (385). С. 62—63.

80. Данилин Б. С., Киреев В. Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. М.: Энергоатомиздат, 1987.

81. Физика и технология источников ионов. Под Ред. Я. Брауна, Москва. 1998.

82. С. D. Child. Phys. Rev. (Ser 1) 32,492(1911)

83. I. Langmuir and К. T. Compton, Rev. Mod. Phys. 3,251(1931)

84. Hertel P. —Surface Sci, 1977, v. 69, № 1.

85. H. Raether, Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Springer-Verlag, Berlin, 1988.

86. Hoist K, Raether H. — Opt. Comm. 1970, v. 2. № 7.

87. Зигмунд П. Распыление ионной бомбардировкой, общие теоретические представления. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: Сб. статей. Под ред. Р. Бериша: Пер. с англ. Под ред. В. А. Молчанова.

88. Вып. 1. Физическое распыление одноэлементных твердых тел. М.: Мир, 1984;

89. Вып. 2. Распыление сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхности. М.: Мир, 1986.

90. Pockrand 1. —Surface Sci., 1978. v. 72, .Nb 2.

91. S'rpe J. E. — Sol. St. Comm. 1980, v. 33. .Nb 1.

92. J.M. Phelps, D M. Taylor, Determining the relative permittivity and thickness of a lossless dielectric overlayer on a metal film using optically excited surface plasmon polaritons, J. Phys. D. Applied Physics. 29. (1996). pp. 1080-1087.

93. Simon H. J., MitcheU D. E. Watson J. G. — Am. J. Phys., 1975, v. 43, № 7.

94. Chen W. P., Chen J. M. — J. Opt. Soc. Am., 1981, v. 71, №2.

95. Ferguson P. E„ Wallis F. R. Chauvet G. —SurfaceSci. 1979, v. 82, № 1.

96. Котык А,, Явчек К. Мембранный транспорт. М. МИР. 1980. с, 143, 280-281.

97. Биологический энциклопедический словарь. М. МИР. 1986. с. 72. 501.

98. Брода Э. Эволюция биоэнергетических процессов. М.МИР. 1978. с.21-24

99. Биология метанобразующих и метанокисляющих микроорганизмов. Киев. Наумова Думка-1993. с. 86-167.

100. Hanson P. Haraon Т. Methanotrophic bacteria. Microbiologacal Reviews. 1996.V60 №2. P. 438-471

101. Anthony C. The biochemistry of methylotrophs.—New York; London : Acad press, 1982.—404 p.

102. Anthony C., Zatman L. J. The microbial oxidation of methanol. 2. The methanol-oxidizing enzyme of Pseudomonas sp. M27. Biochem. J.—1964.—92. N3 — P. 614—621.

103. Заварзин Г.А. Водородные бактерии и карбоксидобактерии. М, наука, 1978. с. 10-31.

104. Слабова А. И. Никитин Д. И. Использование водорода и этилена олиготрофными бактериями. Микробиология. 1986. Т. 55. №6. С. 934-937.

105. Волоева Т.Г. Терсков И.А. Сидько Ф.Я. Микробиологический синтез на водороде. Наука. Сибирское отделение. 1985. С.4-5.

106. Считаю своим долгом выразить благодарность своему научному руководителю, заведующему лабораторией лазерной биофизики, старшему научному сотруднику Валерию Васильевичу Савранскому.

107. Я также глубоко признателен доктору биологических наук, профессору, заведующему лабораторией олиготрофных микроорганизмов Института микробиологии РАН Деонисию Ивановичу Никитину за помощь в проведении экспериментов.