CC BY
12ИЗМЕРЕНИЯ
МОДУЛИРОВАННАЯ ПЛАЗМОННАЯ МЕТАПОВЕРХНОСТЬ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ КОРОНАВИРУСА SARS-COV-2
САРЫЧЕВ А.К., ИВАНОВ А.В., БЫКОВ И.В.,
Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН, г. Москва, Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, г. Москва
ГУЩИН В.А.,
Национальный исследовательский центр эпидемиологии и микробиологии, г. Москва, Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, г. Москва
БАРБИЛЬОН Г.,
EPF-Ecole d'Ingenieurs, 3 bis rue Lakanal, 92330 Sceaux, France
МОЧАЛОВ К.Е.,
Институт биоогранической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, г. Москва
БАХОЛДИН Н.В.,
Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва
НАБИЕВ И.Р.,
СУХАНОВА А.К.,
Laboratoire de Recherche en Nanosciences, LRN-EA4682, Université de Reims Champagne-Ardenne, 51100 Reims, France
СМЫК А.Ф., ШУРЫГИН А.В.
Общество с ограниченной ответственностью «Джеймс Ривер Бранч», г. Москва
E-mail: [email protected]
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, г. Москва, ^ Laboratoire de Recherche en Nanosciences, LRN-EA4682, Université de Reims Champagne-Ardenne, 51100 Reims, France
10.24412/2308-6920-2022-7-12-13 Подробную информацию об авторах см. на сайте www.fotonexpres.ru раздел «Наши авторы»
Одним из наиважнейших направлений практического использования оптических сенсоров на основе эффекта гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) света является высокочувствительное экспресс-детектирование био-патогенов и актуальнейшим направлением здесь является обнаружение нового коронавируса тяжелого острого респираторного синдрома 2 (8ЛЯ8-СоУ-2) и выявление его штаммов [1].
В данной работе проведены исследования усиления электрических полей и ГКР света в периодически профилированных диэлектрических метаповерхностях с поверхностным слоем серебра нанометровой толщины. Построена аналитическая теория и компьютерная модель плазмонных возбуждений в открытом резонаторе, образованном металлической нанорешеткой с синусоидальным профилем. При резонансных условиях электромагнитное поле многократно усиленно, что позволяет повысить чувствительность ГКР спектроскопии. Модулированная плазмонная метаповерхность изготовлена методом голографической интерференционной литографии, которая позволяет массово производить такие структуры [2]. Мы полагаем, что использование таких метаповерхно-стей в ГКР-спектроскопии для определения био-патогенов позволит повысить чувствительность обнаружения до сверхмалых концентраций, на порядки меньших требуемого порога обнаружения в биологических средах. Исследовано ГКР света от рецептор-связывающего домена (ЯББ) 8ЛЯ8-СоУ-2, размещенного на металлической пленке без использования каких-либо молекулярных маркеров.
Ключевые слова: плазмонная метаповерхность, ко-роновирус
Рассмотрим профиль модулированной металлической пленки, показанной на Рис. 1(а). Электромагнитная волна падает по нормали к поверхности пленки и генерируется плазмонное возбуждение. Введем комплексную переменную 2 = (х + Iу) /Ь, где Ь - период решетки. Форма модулированной металлической пленки выбрана таким образом, чтобы передняя поверхность пленки (слева от красной волнистой линии на Рис. 1а) определялась параметрическим уравнением г(ф) = ¡п[ехр(1ф) -х], где параметр х0удовлетворяет условию 0 < х0<1; ф удовлетворяет условию <ф <<*>. Внутренняя часть металлической пленки (справа от красной волнистой линии на Рис. 1а) определяется параметрическим уравнением : 2ъ(ф) = 1п[(1+й0) ехр(гф) -х0]. Таким образом параметры й0 и х0 определяются амплитудой модуляции пленки Ь и толщиной пленки й: х0 = ЩпН/Ь) и й0 = 2[ехр (2пй/Ь) - 1] / [ехр (2пН/Ь) + 1]. Такая пленка с реалистичными параметрами является правдоподобной моделью металлической пленки, полученной методом вакуумного электронно-лучевого испарения металла. В процессе такого напыления металла на подложку, частицы металла концентрируются в большей степени на выступающих частях модулированной подложки, нежели в углублениях [3]. Для нахождения электрического поля, мы вводим комплексную величину w = ехр(г) + х0. При конформном преобразовании от комплексной величины г к комплексной величине V), вся металлическая пленка преобразуется в металлический цилиндр, для которого электромагнитное поле Е = - grad ф^) может быть точно вычислено. Комплексный электрический потенциал ф(2) для модулированной металлической пленки равен ф^(г)), где ф^) - потенциал металлического цилиндра.
Построена полноразмерная модель дважды периодической металлической пленки на диэлектрической подложке с параметрами, соответствующими изготовленным образцам моду-
12 I ФОТОН-ЭКСПРЕСС | №7 (183) |НОЯБРЬ 2022
ИЗМЕРЕНИЯ
(а)
(б)
100
(а)
d. нм
Рис. 1. (а) Модулированная металлическая пленка с диэлектрической проницаемостью Ш_т, нанесенная на фоторезист с диэлектрической проницаемостью (б) Фото изготовленной модулированной плазмонной метаповерхности.
лированной плазмонной поверхности (диэлектрическая проницаемость подложки выбрана равным 2). Электромагнитные поля в такой структуре найдены прямым численным решением уравнений Максвелла в среде Комсол. Спектр интенсивности электрического поля в трехмерной модулированной серебряной пленке демонстрирует возбуждение дипольных и мультипольных резонансов (см. Рис. 2а). Распределение поля в мультипольном резонансе представлено на Рис. 2б. Интересно, что развитая аналитическая теория, описывающая возбуждение плазмонных резонансов в простейшей двумерной решетке дает представление о плазмонных резонансах в трехмерной полноразмерной структуре.
В работе продемонстрировано, что концентрация света в агрегатах белков К.ВО 8АК.8-СоУ-2, помещенных на поверхность серебряной пленки, позволяет получать характерные ГКР спектры этих белков при концентрациях, соответствующих сверхчувствительному обнаружению на физиологически релевантных уровнях - суб-пикограммовых. Покрытие глобул белка К.ВО дополнительным слоем серебра приводит к увеличению ГКР сигнала на порядок величины, обеспечивая суб-фемптограммную чувствительность обнаружение вирусного антигена. На Рис. 3 представлен ГКР спектр белка ЯВБ до и после напыления дополнительного слоя серебра.
Рис. 2. Распределение интенсивности электрического поля в трехмерной модулированной серебряной пленке (а) в зависимости от толщины серебра d. (б) в квадрупольном резонансе при толщине серебра ~15 нм. Параметры модели: период L=750 нм, амплитуда модуляции h= 100 нм, отношение максимальной толщины серебра (на выступах) к минимальной (в углублениях) ~ 4, длина волны падающего излучения 785 нм, нормальное падение света.
Мы полагаем перспективным использование модулированных плазмонных метаповерхностей в качестве эффективных ГКР-подложек для высокочувствительного определения различных молекулярных соединений, в том числе био-патогенов [4,5].
Данная работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-21-00080. Измерение спектров ГКР выполнено при поддержке РНФ № 21-79-30048.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sarychev A.K et al, Biosensors,12, 300 (2022)
2. Sarychev A.K, et al, Physical Review Applied 17, 044029 (2022)
3. Фотон-экспресс, 7,175 (2021)
4. Sarychev A.K, et al, Materials 12,103,1-39 (2019)
5. G. Barbillon, et al, Nanomaterials 11,1521,1-10 (2021).
Рис. 3. ГКР сигнал от ЯВй SARS-CoV-2 (а) на серебряной пленке (б) на серебряной пленке с дополнительным нанослоем серебра толщиной 10 нм.
НОЯБРЬ 2022 | №7 (183) | ФОТОН-ЭКСПРЕСС | 13
