УДК 621.383 СЕРЕГИНА Н.Н.

ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМЫ ОПТИЧЕСКОГО СЕНСОРА НА ОСНОВЕ
ПОВЕРХНОСТНОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСА

Кубанский государственный университет, кафедра оптоэлектроники
350040, Россия, Краснодар, ул. Ставропольская, 149,
seryogina@mail.kubsu.ru

Объектом исследования является призменная конструкция
оптического сенсора на основе поверхностного плазмонного резонанса
[1]. На основе данной конструкции реализован сенсор, позволяющий
измерять
показатель
преломления,
концентрации
компонентов
химических растворов, а также отслеживать кинетику биомолекулярных
взаимодействий.
В основе работы сенсора лежит явление поверхностного
плазмонного резонанса. Оно заключается в резонансоном возбуждении
поверхностных поляритонов на границе раздела диэлектрик-металл при
определенном угле падения ТM-поляризованной электромагнитной волны
на данную границу. Величина резонансного угла падения чувствительна к
показателю преломления внешней среды, что и используется в данном
датчике.
Как известно, показатель преломления раствора зависит от
концентрации его компонентов, следовательно, данный факт можно также
использовать для концентрационного анализа, и кроме того, при условии
определенной функционализации чувствительной поверхности можно
производить исследование кинетики различных реакций, в течение
которых происходит изменение концентрации реагентов во времени,
измеряемое с помощью сенсора.
Сенсор представляет собой объемную призменную конструкцию
величиной в несколько сантиметров (L=31мм, H=15,5 мм, A=450)
(рис.1). На одну из граней четырехугольной стеклянной призмы наклеена
сенсорная пластинка - стеклянная пластинка с нанесенным на нее тонким
слоем серебра. С помощью расходящегося пучка монохроматического
света обеспечивается целый набор лучей с разными углами падения на
границу раздела стекло-серебро. Лишь для одного резонансного угла
падающая плоская волна трансформируется в поверхностную волну и,
следовательно, интенсивность отраженного излучения значительно
уменьшится. Таким образом, отражаясь от граней призмы, лучи на выходе
образуют характерную картину интенсивности, имеющую явный
минимум (рис.2), соответствующий резонансному возбуждению

поверхностного
поляритона.
Положение
провала
определяется
геометрией конструкции и углом падения на границу раздела.



Сенсорная пластинка


a
Линейка

Источник

фотодиодов

света

H



A


L

Рис.1 Оптическая схема сенсора








х
Рис. 2 Распределение интенсивности светового пучка на выходе
призмы

Проведенный
геометро-оптический
анализ
показал,
что
резонансный угол падения можно определить по зависимости:

L - (a - x) cos A
tg =
(1)
2H + (a - x)sin A

где - резонансный угол,
х - положение минимума.

Таким образом, в данной конструкции сенсора координатам
минимума интенсивности от 0 до 21 мм, соответствуют углы падения в

диапазоне от 440 до 700, что позволяет работать с разбавленными водными
растворами различных веществ.
Величина резонансного угла дает информацию о показателе
преломления и, следовательно, о концентрации веществ во внешней
среде. Система электронного фотометрирования позволяет программе
анализировать полученную картину интенсивности, рассчитывать
резонансный угол и величину концентрации после калибровки, а также
получать дополнительную информацию из таких характеристик, как
глубина провала, ширина провала на уровне полуминимума.
Данная конструкция сенсора позволяет производить быстрый и
простой анализ растворов, она позволяет отказаться от вращения системы,
поскольку расходящийся пучок захватывает необходимый диапазон углов
падения, то же можно сказать о детекторе отраженного излучения,
передающем в компьютер полную картину интенсивности для анализа
положения провала и его связи с углом падения и, как следствие, с
показателем преломления и концентрацией веществ. Исследования
кинетики реакции требуют несколько более сложной химической
подготовки, однако в программном отношении построение кривой
зависимости концентрации нужного реагента от времени выполняется
достаточно просто.

1. Dev K. Kambhampati, Wolfgang Knoll. Surfase-plasmon optical
techniques //Current Opinion in Colloid & Interface Science. 1999, 4, p.273-
280.