Фізичне моделювання хіміко-біологічних сенсорів на основі поверхневого плазмонного резонансу - Автореферат

Національна академія наук України Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наукРобота виконана в Інституті фізики напівпровідників ім. Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук Бекетов Геннадій Вікторович, нститут фізики напівпровідників ім. Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Фекешгазі Іштван Вінцийович, Інститут фізики напівпровідників ім. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу нелінійних оптичних систем доктор фізико-математичних наук, професор Пасічник Юрій Архипович, Національний педагогічний університет ім. Захист відбудеться 15 жовтня 2004 р. о 1415 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.199.01 в Інституті фізики напівпровідників ім.Значний інтерес до цього явища обумовлений можливістю досить простими засобами підвищити на кілька порядків амплітуду електромагнітної хвилі на межі поділу двох середовищ, що робить ППР надзвичайно чутливим до властивостей поверхні, таких, як шорсткість, наявність адсорбованої речовини та до оптичних властивостей середовища біля межі поділу. Моделі мають враховувати наявність адсорбованого шару, вплив морфології (шорсткості) адсорбованого шару та активного плазмон-несучого покриття, показник заломлення імерсійного середовища, тощо. Лашкарьова НАН України з 1996 по 2003 роки в рамках наступних тем: “Розробка нових методик атестації та сертифікації із застосуванням растрової електронної мікроскопії та рентгенівської фотоелектронної спектроскопії” (розпорядження Кабінету Міністрів України від 16.05.96 №9918/97 у рамках державної науково-технічної програми “Розробка науково-технічних методів, засобів і автоматизованих систем контролю параметрів напівпровідникових матеріалів, структур і приладів”, що реалізовано Постановою Мінекономіки України від 22.05.96 №12-55/115) (Доручення Кабінету Міністрів України від 16.05.96 №9918/97, номер держ. реєстрації 0197U008668 у рамках державної науково-технічної програми “Розробка науково-технічних методів, засобів і автоматизованих систем контролю параметрів напівпровідникових матеріалів, структур і приладів”, що реалізовано Постановою Мінекономіки України від 22.05.96 №12-55/115). Розробка методичних підходів до оцінки морфологічних характеристик границь поділу та багатошарових систем за допомогою атомно-силової мікроскопії та дослідження морфології реальних структур, що знаходять застосування у сенсорах на основі ППР (поверхні скла та напівпровідникових матеріалів, тонких металевих плівок, шарів органічних сполук, зокрема каліксаренів, тощо).Розрахунки оптичних параметрів плівок чи оточуючого середовища з резонансних кривих ППР виконувались на базі ідеалізованої моделі, згідно якої поверхневі плазмони збуджуються в системі, що складається з одного чи кількох паралельних шарів, обмежених з одного боку напівнескінченним середовищем призми, а з іншого - напівнескінченним оточуючим середовищем. На основі формул Френеля за допомогою розробленої програми розраховується залежність коефіцієнта відбивання системи від кута падіння на межу поділу між призмою і першою плівкою для плоскої р-поляризованої електромагнітної хвилі. Математична модель відбиття поляризованого світла шаруватими поверхневими структурами в залежності від кута падіння базується на матричному методі Абеля та дозволяє розраховувати криві ППР для модельної системи, що складається з довільного числа плоскопаралельних шарів на поверхні плазмон-несучої плівки. Розроблене багатофункціональне програмне забезпечення для розвязку оберненої задачі визначення параметрів системи на основі експериментальних ППР-спектрів дозволяє розраховувати криву ППР для системи із заданими оптичними константами та оптимізувати експериментальні дані за допомогою моделі із заданою кількістю шарів із відомими параметрами. На основі відомих значень показника заломлення та товщини адсорбованого шару можна розрахувати значення поверхневої концентрації шару білка: Г=(dn/dc)-1•(na-np)•d, (5) де na і np - відповідно показники заломлення адсорбованого шару та розчину, d - товщина адсорбованого шару, інкремент dn/dc=0.188 см3/грам для більшості шарів біологічного походження.Показано, що імерсійний метод ППР є інформативним засобом одночасного визначення товщини та показника заломлення поверхневих плівок у діапазоні товщин ? 20 нм, що дає можливість визначати додаткові параметри адсорбованих шарів. Показано, що параметри оптичної системи з довільної кількості плоскопаралельних шарів можуть бути визначені на основі матриць Абеля. Методами чисельного моделювання проаналізовано вплив розбіжності пучка та нестабільності джерела світла, похибок у вимірюванні кута падіння та показника заломлення імерсійного середовища на точність визначення оптичних параметрів системи.

2. Основний зміст дисертації