Модифікація фізичної моделі, створення програмного забезпечення для математичного моделювання констант розповсюдження хвильоводних мод в шаруватих діелектричних структурах та біметалічних структурах. Створення планарного поляризаційного інтерферометру.
Аннотация к работе
Повне внутрішнє відбиття світла, та його хвильоводне розповсюдження в тонких світловодах супроводжується наявністю електромагнітного поля, що виходить за площину віддзеркалення, але не створює світлового променя. Це останнім часом привертає увагу дослідників з точки зору отримання фізичної інформації про поляризовність вказаного шару, яка аддитивно складається з поляризовності власне однорідного зовнішнього середовища та тонкого молекулярного шару, що формується зазвичай на межах розподілу. Саме чутливість затухаючої хвилі до молекулярних адсорбованих шарів привертає останнім часом увагу з точки зору створення нових неруйнівних фізичних методик для аналізу низки фізичних, хімічних та біологічних ефектів на поверхні оптичних сенсорів та аналітичних пристроїв. Для цього необхідно запропонувати методику компютерного моделювання цього фізичного ефекту, провести розрахунки та експериментальні дослідження та запропонувати шляхи подолання фізичних обмежень при застосування таких приладів як біосенсорів та хімічних сенсорів. (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) і в рамках проекту «Розробка та виробництво хвильоводних біосенсорних масивів для широкої діагностики специфічних молекулярних взаємодій у живому організмі та функціональних особливостей лікарських препаратів.Розглянуто сенсори на основі інтерферометрів різних типів і на основі ефекту поверхневого плазмонного резонансу, проаналізовані їхні достоїнства і недоліки з погляду простоти, вартості виготовлення і чутливості. Були розраховані вираження для матриць, що характеризують межу розподілу між двома шарами. Була вирішена задача збільшення чутливості і точності сенсора, що використовує ефект поверхневого плазмонного резонансу при збереженні його стабільності завдяки використанню біметалічного робочого елемента. Було проведено математичне моделювання чутливості біосенсора на основі ППР з урахуванням зсуву мінімуму ППР і напівширини резонансної кривої для біметалевих плівок - носіїв поверхневих поляритонів з різними співвідношеннями товщин шарів золота і срібла. Було вивчено вплив зміни показника заломлення зовнішнього середовища на кутове положення мінімуму резонансної кривої, отриманої на різних робочих елементах оптичного сенсора.Уперше проаналізовано поводження біметалевих плівок як середовищ-носіїв плазмон-поляритонних коливань. Внаслідок розрахунків показано, що введення шару з більш високою електропровідністю під золотий робочий елемент біосенсора на основі ППР приводить до звуження мінімуму ППР. Експериментально визначено вплив композиції двошарових плівок на чутливість методу ППР, доведено, що застосування комбінованих плівок зменшує шум при визначенні кута ППР з 10 кутових секунд до 5 кутових секунд. Виявлено вплив адсорбції молекул НС1 на кутове положення мінімуму кривої ППР, зсув якого може досягати 60 кутових секунд.
План
Основний зміст дисертації
Вывод
1. Уперше проаналізовано поводження біметалевих плівок як середовищ-носіїв плазмон-поляритонних коливань. Вивчено вплив оптичних параметрів біметалевого шару на форму кривої ППР. Внаслідок розрахунків показано, що введення шару з більш високою електропровідністю під золотий робочий елемент біосенсора на основі ППР приводить до звуження мінімуму ППР.
2. Експериментально визначено вплив композиції двошарових плівок на чутливість методу ППР, доведено, що застосування комбінованих плівок зменшує шум при визначенні кута ППР з 10 кутових секунд до 5 кутових секунд.
3. Створено сенсор молекул НС1 на основі біметалевих плівок як середовищ-носіїв плазмон-поляритонних коливань. Виявлено вплив адсорбції молекул НС1 на кутове положення мінімуму кривої ППР, зсув якого може досягати 60 кутових секунд. Оцінено граничну чутливість методу ППР для реєстрації молекул НС1, яка склала 10 ррм, що дозволяє застосовувати сенсор в екологічних цілях.
4. Запропоновано новий тип біосенсора на основі планарного поляризаційного інтерферометра, проведено оптимізацію його конструкції.
5. Досліджено кутовий розподіл інтенсивності і ступеня поляризації світлового випромінювання, що вийшло з планарного інтерферометра. Розподіл інтенсивності має гаусову форму, що може змінювати свою форму і відхилятися від площини хвилевода; поляризація випромінювання, що вийшло з планарного інтерферометра залежить від кута реєстрації, що є важливим для практичних застосувань.
6. Експериментально продемонстровано вплив товщини покривного шару на константу поширення й адсорбційну чутливість s - та p - поляризацій в сердечнику ППІ, отримані розрахункові номограми для визначення товщини і показника заломлення адсорбційного шару в ППІ.
7. Сенсор на основі планарного поляризаційного інтерферометра протестовано у якості рефрактометра і біосенсора на прикладі неспецифічної сорбції на поверхню нітріду кремнію бичачого сироватного альбуміну і специфічного звязування його з комплементарним імуноглобуліном, а також специфічного та неспецифічного звязування фібріногену та антитіл до нього.
Список литературы
1. Ширшов Ю.М., Свечников С.В., Кияновский А.П., Ушенин Ю.В., Венгер Е.Ф., Самойлов А.В. Биосенсор на основе планарного поляризационного волновода // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1998. - №33. - С. 44-51.
2. Shirshov Yu.M., Svechnikov S.V., Kiyanovskii A.P., Ushenin Yu.V., Venger E.F., Samoylov A.V., Merker R. A sensor based on the planar-polarization interferometer // Sensors and Actuators A. - 1998. - Vol.68 - Р.384-387.
3. Пат. 46018 Україна, МПК G 01N 21/55. Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення / Ширшов Ю.М., Венгер Є.Ф., Прохорович А.В., Ушенін Ю.В., Мацас Є.П., Чегель В.І., Самойлов А.В.; Бюл. №5; Заявл. 22.10.1997; Опубл. 15.05.2002
4. Ширшов Ю.М., Кияновский А.П., Ушенин Ю.В., Венгер Е.Ф., Самойлов А.В., Снопок Б.А., Меркер Р. Оптимизация конструкции планарно-поляризационного интерферометра // Оптоэлектроника и полупроводниковая техника. - 1999 - №34. - С. 170-177.
5. Samoylov A.V., Lysenko S.I., Snopok B.A., Shirshov Yu.M. Integrated optical sensor based on planar polarization interferometer: analysis of angular distribution of polarization degree of outcoming light // Proc. of SPIE, Optoelectronic Information Technologies 4425 - 2000. - р. 170-176.
6. Ширшов Ю.М., Венгер Е.Ф., Самойлов А.В., Снопок Б.А., Тележникова О.А. Биосенсоры на основе планарно-поляризационного интерферометра // Труды Всеросийской конф. с междунар. Участием «Сенсор 2000» - Санкт-Петербург. - 2000. - С. 109.
7. Shirshov Yu.M., Snopok B.A, Samoylov A.V., Kiyanovskii A.P., Venger E.F., Nabok A.V., Ray A.K. Analysis of the response of planar polarization interferometer to molecular layer formation: fibrinogen adsorption on silicon nitride surface // Biosensors and Bioelectronics - 2001. - Vol.16 - P.381-390.