Кіріспе

Электрондық резонанстың физикалық құбылысы
Жүздік плазмондық резонанс (ЖПР) – жұқа металл жамылғыдағы электрондардың жарықпен қозғалу құбылысы. Бұл жарық белгілі бір түсу бұрышымен жамылғыға бағытталғанда, электрондар жамылғы бетімен параллель қозғалады. Егер жарық көзінің толқын ұзындығы тұрақты болса және металл жамылғы жұқа болса, ЖПР-ді тудыратын түсу бұрышы материалдың рефракциялық индексімен байланысты. Рефракциялық индекстің тіпті кішкентай өзгеруі ЖПР-ді байқау мүмкін емес етеді. Осы қасиеті ЖПР-ді белгілі заттарды (аналиттерді) анықтауға пайдалануға мүмкіндік береді, сондай-ақ әртүрлі маңызды биомаркерлерді анықтау үшін ЖПР биосенсорлары жасалған.

Түсіндірме

Жер бетіндегі плазмондық поляритон – терiс өткізгіштік / диэлектрлік материал интерфейсіне параллель бағытта таралатын сәулеленбейтін электромагниттік жер беті толқыны. Толқын өткізгіш пен сыртқы ортаның (мысалы, ауа, су немесе вакуум) шекарасында орналасқандықтан, бұл тербелістер осы шекараның кез келген өзгеруіне, мысалы, молекулалардың өткізгіш бетіне сіңірілуіне өте сезімтал. Жер бетіндегі плазмондық поляритонның болуы мен қасиеттерін сипаттау үшін әртүрлі модельдерді (кванттық теория, Друд моделі және т.б.) таңдауға болады. Мәселеге ең қарапайым тәсіл – әр материалды сыртқы орта мен бет арасындағы жиілікке тәуелді салыстырмалы өткізгіштікпен сипатталған біртекті континуум ретінде қарау. Бұл шама, әрі қарай «диэлектрлік функция» деп аталады, ол күрделі өткізгіштік болып табылады. Электрондық беттік плазмонды сипаттайтын терминдердің болуы үшін өткізгіштің диэлектрлік тұрақтысының нақты бөлігі теріс болуы керек және оның шамасы диэлектриктің тұрақтысынан үлкен болуы керек. Бұл шарт ауа/металл және су/металл интерфейстері үшін инфрақызыл және көрінетін толқын ұзындығы аймағында орындалады (онда металдың нақты диэлектрлік тұрақтысы теріс, ал ауа мен судың диэлектрлік тұрақтысы оң). LSPR (жергілікті беттік плазмондық резонанстар) – жарықпен қоздырылатын металл нанобөлшектердегі электрондық зарядтың ұжымдық тербелісі. Олар резонанстық толқын ұзындығында күшейтілген жақын өріс амплитудасын көрсетеді. Бұл өріс нанобөлшекте жоғары локалданып, нанобөлшек/диэлектрлік интерфейстен диэлектрлік фонға жылдам төмендейді, бірақ бөлшектің алыс өріс шашырауы да резонанс арқылы күшейтіледі. Жарық интенсивтілігін арттыру – LSPR-дің өте маңызды аспектісі және локализация LSPR-дің тек нанобөлшектердің мөлшерімен шектелген өте жоғары кеңістіктік ажыратымдылығы (субтолқын ұзындығы) бар екенін білдіреді. Күшейтілген өріс амплитудасының әсерінен, амплитудаға тәуелді эффекттер, мысалы, магниттік-оптикалық эффект, LSPR арқылы да күшейтіледі.

SPR-дің шығарылымы

Жер беттік плазмондық толқын жергілікті бөлшекемен немесе дөңгелек бет сияқты нұсқаусыздықпен қарымдасқанда, энергияның бір бөлігі жарық ретінде қайта таралуы мүмкін. Бұл таратылған жарықты металл қабықшаның артынан әртүрлі бағыттардан анықтауға болады.

Талдаулық іске асырулар

Жер беттік плазмондық резонанс талдау құралдарында қолданылуы мүмкін. SPR құралдары жарық көзі, енгізу схемасы, талдау заттарымен байланысатын интерфейсі бар призма, детектор және компьютерден тұрады.

Детektorлар

Плазмондық резонанста қолданылатын детекторлар металл жамылғысынан шағылысқан жарық фотондарын электр сигналына түрлендіреді. Позицияны сезетін детектор (PSD) немесе зарядталған қосарланған құрылғы (CCD) детекторлар ретінде қолданылуы мүмкін.

Қолданбалар

Жер бетіндегі плазмондар флуоресценция, Раман шашырауы және екінші гармониялық генерация сияқты бірнеше спектроскопиялық өлшеулердің беткі сезімталдығын арттыру үшін қолданылды. Ең қарапайым түрінде SPR рефлективтілік өлшеулері молекулалық адсорбцияны, мысалы, полимерлерді, ДНК немесе белоктарды анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Техникалық тұрғыдан алғанда, ең аз шағылысу бұрышын (ең көп сіңіру бұрышын) өлшеу жиі кездеседі. Бұл бұрыш жұқа (шамамен нм қалыңдығы) пленка адсорбцияланғанда 0,1° шамасында өзгереді. (Мысалдарды да қараңыз.) Кейде сіңіру толқын ұзындығының өзгеруі бақыланады. Анықтау механизмі адсорбцияланатын молекулалардың жергілікті сындыру индексін өзгерту арқылы жер бетіндегі плазмон толқындарының резонанстық жағдайларын өзгертуге негізделген. Осы принцип жақында жасалған, жоғалтусыз диэлектрлік көп қабаттарға (DBR) негізделген бәсекелестік платформада қолданылады, ол өткір резонанстарға ие жер бетіндегі электромагниттік толқындарды қолдайды (Блох жер бетіндегі толқындары). Егер беті әртүрлі биополимерлермен өрнектелген және тиісті оптикалық және бейнелеу сенсорлары (мысалы, камера) қолданылса, бұл әдіс беттік плазмондық резонанстық бейнелеуге (SPRI) дейін кеңейтілуі мүмкін. Бұл әдіс адсорбцияланған молекулалар мөлшеріне негізделген бейнелердің жоғары контрастын қамтамасыз етеді, бұл Брюстер бұрышы микроскопиясына ұқсас (соңғысы көбінесе Лангмуир-Блоджет ваннасымен бірге қолданылады). Нанобөлшектер үшін жергілікті беттік плазмондық тербелістер нанобөлшектерді қамтитын суспензиялар немесе зольдердің қарқынды түстерін тудыруы мүмкін. Асыл металдардың нанобөлшектері немесе наносымдары ультракүлгін-көрінетін жарық спектрінде ірі металдарда кездеспейтін күшті сіңіру жолақтарын көрсетеді. Бұл ерекше сіңірудің артуы фотоэлектрлік жасушаларда жарық сіңіруді арттыру үшін жасуша бетіне металл нанобөлшектерін жағу арқылы пайдаланылды. Бұл сіңірудің энергиясы (түсі) жарық наносымның бойымен немесе оған перпендикуляр бағытта поляризацияланған кезде өзгереді. Нанобөлшектерге адсорбцияланған кезде жергілікті сындыру индексінің өзгеруіне байланысты осы резонанстағы ығысулар ДНК немесе белоктар сияқты биополимерлерді анықтау үшін де қолданылуы мүмкін. Байланысты қосымша әдістерге плазмонды толқын жетекші резонансы, QCM, ерекше оптикалық өтімділік және екі поляризациялық интерферометрия жатады.

SPR иммунотазығы

Алғашқы SPR иммуноанализін 1983 жылы Лидберг, Нйландер және Лундстрем ұсынды, ол кезде Линчепинг технология институтында (Швеция) жұмыс істеген. Олар адам IgG-ны 600 ангстремдік күміс пленкасына адсорбциялап, су ерітіндісіндегі адамға қарсы IgG-ны анықтау үшін осы әдісті қолданды. ELISA сияқты көптеген басқа иммуноталдаулардан айырмашылығы, SPR иммуноанализінде аналитті анықтау үшін маркер молекуласы қажет емес, яғни маркерленбейді. CVD әдісімен графиннің (3.7Å) бір қабатты моноқабаттары және микрометрлік қалыңдығы бар полимерлер жатқан.

Деректерді түсіндіру

Деректерді түсіндірудің ең көп таралған әдісі Френель формулаларына негізделген, онда пайда болған жұқа қабаттар шексіз, үздіксіз диэлектрлік қабаттар ретінде қарастырылады. Мұндай түсіндіру бірнеше мүмкін сыну көрсеткіші және қалыңдық мәндерін тудыруы мүмкін. Әдетте, деректердің нақты диапазонында тек бір ғана шешім болады. Көп параметрлі беттік плазмондық резонанста екі SPR қисызы екі әртүрлі толқын ұзындығындағы бұрыштардың диапазонын сканерлеу арқылы алынады, бұл қалыңдық пен сыну көрсеткіші үшін бірегей шешім береді. Металл бөлшектерінің плазмондары көбінесе Ми шашырау теориясымен модельделеді. Көп жағдайда егжей-тегжейлі модельдер қолданылмайды, бірақ сенсорлар нақты қолданыс үшін калибрленеді және калибрлеу қисығы шегінде интерполяциямен қолданылады.

Жаңа қолданбалар

SPR аспаптарының әмбебаптығына байланысты, бұл техника басқа әдістермен үйлесімді болып келеді, нәтижесінде биомедициналық және экологиялық зерттеулер сияқты әртүрлі салаларда жаңа қолданыстар пайда болады. Нанотехнологиямен үйлестірілгенде, SPR биосенсорлары терапиялық имплантаттарды тасымалдау үшін нанобөлшектерді қолдана алады. Мысалы, Альцгеймер ауруын емдеуде нанобөлшектерді терапиялық молекулаларды бағытталған түрде жеткізу үшін пайдалануға болады. Жалпы алғанда, SPR биосенсорлық талдауы биомедициналық саладағы басқа әдістерге қарағанда артықшылықтар көрсетеді, себебі бұл техника маркерлеуді қажет етпейді, төмен құнмен қолданылады, медициналық пункттерде пайдалануға мүмкіндік береді және шағын зерттеу топтары үшін жылдам нәтижелер береді. Қоршаған ортаның ластаушыларын зерттеуде SPR аспаптары бұрынғы хроматографиялық әдістердің орнына қолданылуы мүмкін. Қазіргі ластану зерттеулері экожүйедегі ластанудың уақыт өте келе артуын бақылау үшін хроматографияға сүйенеді. Кретшман призмалық конфигурациясы бар SPR аспаптары хлорофенді, жаңадан пайда болған ластаушыны анықтау үшін қолданылғанда, SPR хроматографиялық әдістермен салыстырылатын дәлдік және нақтылық деңгейлеріне ие екені көрсетілді. Бұдан әрі, SPR сенсорлық технологиясы жоғары жылдамдығымен және қарапайым талдауымен хроматографиялық техникадан басым түседі.

Байланысты тұрақтыны анықтау

SPR молекулалық өзара әрекеттесулердің нақты уақыт кинетикасын зерттеуге қолданылуы мүмкін. Екі лиганд арасындағы байланыстың күшін анықтау үшін өнім коэффициентінің тепе-теңдік мәнін көрсететін тепе-теңдік диссоциация тұрақтысын анықтау қажет. Бұл тұрақты динамикалық SPR параметрлерін пайдаланып анықталуы мүмкін, ол диссоциация жылдамдығын ассоциация жылдамдығына бөлгенде есептеледі. Бұл процесте лиганд SPR кристаллының декстран бетіне бекітіледі. Микроағымдық жүйе арқылы лигандпен жабылған бетке аналит ерітіндісі жіберіледі. Аналиттің лигандқа байланысуы SPR сигналының (жауап бірліктерімен, RU) артуына себеп болады. Ассоциация уақытынан кейін лиганд пен аналит арасындағы байланысқан кешеннің диссоциациясын бастау үшін микросұйықтық жүйеге аналитсіз ерітінді (әдетте буфер) енгізіледі. Аналит лигандтан диссоциацияланғанда SPR сигналы төмендейді. Осы ассоциациядан ("қосылу жылдамдығы", ka) және диссоциация жылдамдықтарынан ("бөліну жылдамдығы", kd) тепе-теңдік диссоциация тұрақтысы ("байланыс тұрақтысы", KD) есептелуі мүмкін. Байқалған SPR сигналы – түсетін жарықтың алтын қабатының беткі плазмонымен электромагниттік "байланысының" салдары. Бұл өзара әрекеттесу әдетте бірнеше нанометр қалыңдығы бар алтын-ерітінді интерфейсіндегі қабаттың қасиеттеріне өте сезімтал. Заттар бетке байланысқанда, жарық шағылысу жолы өзгереді, бұл шағылысу бұрышының өзгеруіне алып келеді, және оны SPR эксперименттерінде сигнал ретінде өлшеуге болады. Антидене-антиген өзара әрекеттесуінің кинетикасын өлшеу – бұл қолданыстың кең таралған мысалы.

Эпитоптарды жұптық карталау

SPR нақты уақыт мониторингіне мүмкіндік беретіндіктен, сэндвич конфигурациясындағы антиденелердің үйлесімділігін зерттеу кезінде, тізбектелген байланыс оқиғаларының жеке қадамдарын толыққанды бағалауға болады. Бұдан өзге, ол эпитоптарды анықтауға мүмкіндік береді, себебі үсті-үстіне жатқан эпитоптарға ие антиденелер, бір мезгілде өзара әрекеттесе алатын антиденелерге қарағанда, нашарлаған сигналмен байланысты болады.

Магниттік плазмондық резонанс

Жақында магниттік беттік плазмондарға қызығушылық артып келеді. Бұл үшін үлкен теріс магниттік өткізгіштікке ие материалдар қажет, және осындай қасиет метаматериалдар құрастырылуымен ғана жақында қолжетімді болды.

Графен

Алтынның үстіне графен қабаттастыру SPR сенсорларының өнімділігін арттыратыны көрсетілген. Оның жоғары электр өткізгіштігі анықтаудың сезімталдығын күшейтеді. Графеннің үлкен беттік ауданы биомолекулаларды бекітуді жеңілдетеді, ал оның төмен сыну көрсеткіші оның бөгетін азайтады. Графенді басқа материалдармен біріктіру арқылы SPR сезімталдығын арттыру SPR сенсорларының мүмкіндіктерін кеңейтеді, оларды қолдану саласын кеңейтеді. Мысалы, графеннің күшейтілген сезімталдығы күміс SPR сенсорымен бірге қолданылып, зәрдегі глюкоза деңгейін өлшеуге арзан балама ұсынады. Графен SPR сенсорларының 500°C дейінгі жоғары температурада қыздыруға төзімділігін де арттыратыны дәлелденді.

Күлгін оптикалық SPR

SPR технологиясының соңғы жетістіктері, SPR сенсорлаудың мүмкіндіктерін және қолданылу аясын кеңейтетін жаңа форматтарға әкелді. Оптикалық талшықты SPR (Fiber optic SPR) – бұл SPR сенсорларын оптикалық талшықтардың ұштарына енгізу арқылы жүзеге асырылады, бұл аналиттер қуыс SPR өзегінен өтетін кезде жарықтың беттік плазмондарымен тікелей байланысуына мүмкіндік береді. Бұл формат сезімталдықты арттырады және ықшам сенсорлық құрылғыларды жасауға мүмкіндік береді, осылайша оны далада қашықтықтан сенсорлауды қажет ететін қолданулар үшін өте құнды етеді. Сонымен қатар, бұл формат аналиттердің оптикалық талшықтың ішкі қабырғасына байланысуы үшін үлкен беттік ауданды ұсынады.