Наноплазмоника и биосенсорика
Поверхностный плазмонный резонанс является актуальной темой современных научных изысканий. На основе данного явления создаются различные датчики и измерительные комплексы, применяемые в физических, химических и биологических исследованиях, в том числе аппаратные комплексы для проведения иммунного анализа. Особый интерес плазмонный резонанс представляет в оптических волокнах. Используя такие преимущества волоконно-оптических сенсоров, как мобильность, компактность, удобство работы с микрофлюидными системами, на их основе можно создавать перспективные высокочувствительные волоконные плазмонные сенсоры.
Для создания условий возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов на основе волоконных световодов используется технология, позволяющая воспроизвести аналог широко известной схемы Кречмана в оптическом волокне. Подобный подход позволяет использовать энергию распространяющегося по волокну оптического излучения для генерации плазмонов на цилиндрической поверхности световода. Основным конструктивным элементом в нашем случае является наклонная брэгговская решетка, записываемая в сердцевине одномодового оптического волокна. В результате взаимодействия проходящего по волокну оптического излучения с такой решеткой часть энергии рассеивается в оболочку, где зарождает целый ряд оболочечных мод на различных длинах волн.
Цилиндрическая поверхность волоконного световода в непосредственной близости от области записи решетки покрывается тонким слоем золота, который служит источником свободных электронов, необходимых для зарождения плазмон-поляритонов. Плазмонный резонанс, т.е. эффективная перекачка энергии оптического излучения в энергию плазмона происходит в случае совпадения проекции волнового вектора возбуждающего излучения с волновым вектором плазмона. Важно отметить, что свойства поверхностных плазмонов зависят от диэлектрической проницаемости среды, что, в свою очередь, находит отражение в спектре пропускания наклонной брэгговской решетки. Таким образом, на основе такой волоконной конструкции могут быть изготовлены высокочувствительные датчики показателя преломления окружающей среды. Наибольший интерес такие датчики представляют в биосенсорике, где могут применяться для определения мельчайших концентраций биомолекул в биологических растворах, для нужд иммунного анализа.
В результате развития направления «Наноплазмоника» в лаборатории был достигнут ряд ключевых результатов. Так, был разработан универсальный математический алгоритм поиска положения «перетяжки» на спектре и создана его программная реализация. Алгоритм позволяет автоматически определять изменения показателя преломления исследуемых веществ в режиме реального времени. Отдельно учеными лаборатории была решена проблема влияния поляризации оптического излучения на стабильность спектральной картины, что позволяет использовать волоконные плазмонные сенсоры за пределами идеальных лабораторных условий. Кроме того, был предпринят ряд важных шагов в рамках концепции «лаборатория на чипе», в результате чего был получен макет микрофлюидного чипа со встроенным волоконным плазмонным сенсором. Чип позволяет проводить исследования показателя преломления в потоке жидкостей, что представляет особую ценность при работе с биологическими растворами. При этом чип позволяет работать с микрообъемами проб – порядка 2 мкл. Всё это позволило получить рекордное для такого типа сенсоров разрешение в размере 3 x 10-6 единиц показателя преломления, что как минимум на порядок превосходит ранее опубликованные результаты.