В современных сложных биохимических анализах во всем мире используются биосенсоры, основанные на резонансе поверхностных плазмонов. Пока это самый совершенный способ определять биообъекты и биохимические вещества в малых концентрациях в жидких средах, и российские ученые нашли, как сделать его еще эффективнее.
Справка
Плазмон — квазичастица, которая отвечает квантованию плазменных колебаний, представляющих собой коллективные колебания свободного электронного газа. Поверхностные плазмоны (плазмоны, ограниченные поверхностями) сильно взаимодействуют со светом. Поверхностный плазмонный резонанс используется в биохимии, чтобы определять присутствие молекул на поверхности.
Когерентность (от лат. "cohaerens") — согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания называются когерентными, если разность их фаз остается постоянной (или закономерно изменяется) во времени и при сложении колебаний определяет амплитуду суммарного колебания.
Интерференция (от фр. "interference") — явление взаимодействия звуковых, световых или иных волн, исходящих из разных источников.
Разработка ученых МГУ позволит в перспективе увеличить чувствительность плазмонного сенсора с помощью переменного магнитного поля
Фото: Дмитрий Лебедев, Коммерсантъ
Практически все сложные биохимические анализы сейчас проводятся с помощью биосенсоров. Принцип работы такого сенсора заключается в том, что на определенных длинах волн оптического излучения в тонкой полупрозрачной золотой пленке, напыленной на стеклянную призму, наблюдается эффект резонансного возбуждения поверхностных плазмонов. При этом в оптическом спектре отражения наблюдается резонансный минимум. Любое изменение в поверхностном слое, где находится биологическая жидкость, даст смещение этого резонансного эффекта, и прибор тут же почувствует это. Сотрудники физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова обнаружили и исследовали плазмонные эффекты в так называемых магнитоплазмонных кристаллах, которые оказались еще более резонансными. На основе этого эффекта был создан новый тип сенсоров, демонстрирующих возможность увеличения чувствительности плазмонного сенсора путем приложения переменного магнитного поля, которое дополнительно модулирует резонанс поверхностных плазмонов. Ученые получили патент на это изобретение.
Продолжая медицинскую тему: измеряя напряженность очень слабых магнитных полей вблизи тела человека, можно сделать выводы о состоянии его здоровья. Например, работу сердца удобнее и точнее можно описать с помощью не электрокардиограммы, а магнитокардиограммы (МКГ). Здесь есть большой потенциал для новых исследований. Так, на физическом факультете МГУ успешно изучают магнитоплазмонные кристаллы — наноструктурированные пленки магнитных металлов — и пытаются сделать на их базе высокочувствительный сенсор магнитного поля. Создав прототип такого сенсора, исследователи продемонстрировали, что теоретически с помощью данной методики можно достичь чувствительности, близкой к порогу снятия МКГ. Для запуска технологии сенсорам не хватает чувствительности, но расчеты указывают на возможность увеличения чувствительности путем оптимизации параметров магнитоплазмонных структур.
"Мы придумали делать плазмонные кристаллы из магнитного металла, таким образом скомбинировав два эффекта: возбуждение поверхностных плазмонов, с одной стороны, а с другой — добавили магнитные и, как следствие, магнитооптические свойства,— рассказал сотрудник физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова Андрей Грунин.— Выяснилось, что условия распространения этих поверхностных плазмонов очень меняются в зависимости от магнитного поля. Мы можем включать/выключать магнитное поле или как-то его менять и тем самым управлять движением этих поверхностных плазмонов, которые называются в данном случае магнитоплазмонами, так как распространяются в магнитной среде".
Допустим, есть специально структурированная пленка из магнитного металла, на нее воздействуют оптическим излучением той длины волны, которая возбуждает в ней поверхностные плазмоны. При этом будет наблюдаться отраженный от пленки луч света, интенсивность которого можно измерить. Как только на нее воздействуют магнитным полем, интенсивность отраженного луча изменится. "То есть мы можем управлять отражением этой пленки и модулировать интенсивность отраженного луча просто с помощью магнитного поля,— уточнил Андрей Грунин.— Способы модуляции оптического излучения путем приложения магнитного поля существовали, конечно, и раньше — это так называемые магнитооптические эффекты. Они были открыты больше столетия назад, но оказались очень слабыми, и в этом проблема их практического использования".
Конечно, физиков интересует применение этого эффекта не только в медицине. В лаборатории физфака разрабатывают также технологию лазерной интерференционной литографии. Если взять лазерный пучок, обладающий когерентностью, разделить его на две части в интерферометре Ллойда, а потом собрать, то возникнет явление, которое называют интерференцией. Она проявляется в виде образования интерференционных полос на одной из поверхностей интерферометра, то есть полос максимумов и минимумов освещенности — получатся светлые и темные полосы. Если эти полосы попадут на светочувствительную поверхность, то смогут периодически ее засветить как фотопленку. Меняя угол поворота зеркала в интерферометре или длину волны лазерного излучения, можно управлять периодом этих полосочек и получить даже период, меньший длины волны. Ученые уже отработали технологию создания таких периодических структур. Их цель — создать полностью прозрачную периодическую наноструктурированную поверхность стекла. Эту технологию можно будет применить, например, при изготовлении самоочищающихся супергидрофобных солнечных панелей.
Эффективная очистка солнечных панелей — большая проблема. Солнечные панели устанавливают чаще всего там, где наиболее высока солнечная активность. В основном это пустыни. Но в пустынях нередки песчаные бури, а даже сухой песок прилипает к поверхности панелей, отчего они начинают хуже работать. Мыть их в пустыне дорого и сложно. Сейчас технологию лазерной интерференционной литографии ученые пытаются применить для создания периодических наноструктур с глубоким рельефом, которые позволят сделать поверхность стекла супергидрофобной, что упростит его очистку. В перспективе данная технология позволит снизить стоимость обслуживания солнечных панелей, а значит, и увеличить число их потенциальных покупателей.
Андрей Грунин: создаем один из вариантов для управления светом в компьютерах будущего
BUSINESS GUIDE: Как вы пришли к изучению плазмонных кристаллов?