Разработка методов и аппаратуры для обнаружения и идентификации немеченных биомолекулярных соединений с помощью оптического резонанса в кольцевых микрорезонаторах усиленного на плазмонных наноструктурах : отчет о научно-исследовательской работе (заключительный) / БГУ; научные руководители В.А. Саечников, Э.А. Чернявская

Abstract

Объектами исследования являются растворы биологических соединений, включая глюкозу, белки: альбумин, фибронектин, антибиотики, сульфат магния и хлорид калия, золотые наночастицы. Цель исследования - разработка основных принципов усиления оптического резонанса мод шепчущей галереи в микрорезонаторах с плазмонными наноструктурами, а также методов формирования плазмонных структур в сочетании с функционализацией их поверхности для усиления оптического резонанса мод шепчущей галереи в микрорезонаторах. Разрабатываемые методики обнаружения и идентификации высокомолекулярных соединений являются научной основой создания и функционирования оптико-электронных микросистем, устройств молекулярной электроники и кремниевой фотоники, электронных и оптических систем обработки информации на спиновых эффектах; нанотехнологии, наноструктуры и наноматериалы в электронике, оптике, оптоэлектронике и находят широкое применение в системах безопасности: медицинской, продовольственной, экологической и фармацевтической. Практическое назначение данных разработок связано с созданием высокочувствительных миниатюрных биомедицинских сенсоров нового типа, являющихся основой диагностических средств в системах персонализированной медицины. В ходе выполнения работы: Получены экспериментально зависимости спектров оптического резонанса МШГ в матрицах диэлектрических микросфер от концентрации высокомолекулярных соединений в растворах. Чувствительность методики оценена по изменению показателя преломления окружающего микросферу раствора и концентрации биологических соединений: пенициллина, глюкозы, гентамицина, этанола, цефатаксина, альбумина, фибронектина. Обнаружено, что максимальная чувствительность, составляющая 5.297 мг/мл, получена для раствора фибронектина. Разработана методика обнаружения и идентификации биологических соединений на основе спектроскопии оптического резонанса МШГ на диэлектрических микросферах, усиленного плазмонным резонансом с использованием золотых наночастиц. Экспериментально обнаружены спектральный сдвиг и изменение эффективности возбуждения мод в растворах сульфата магния и хлорида 4 калия. Зависимость спектрального сдвига для раствора хлористого калия от концентрации является линейной в диапазоне концентраций от 0 до 17,8 мг/мл, а эффективность возбуждения мод монотонно увеличивается с увеличением концентрации раствора. Спектральный сдвиг при увеличении концентрации раствора сульфата магния имеет экспоненциальную зависимость, в то время как эффективность возбуждения мод при низких концентрациях раствора увеличивается, а при более высоких концентрациях снижается. Продемонстрирована целесообразность использования схемы с оптического резонансом МШГ на диэлектрических микросферах, усиленного плазмонным резонансом с использованием золотых наночастиц для идентификации биологических соединений с низкой концентрацией. Однако при более высоких концентрациях, схема только с оптическим резонансом МШГ является предпочтительной, так как при ее использовании наблюдается линейная зависимость спектрального сдвига от концентрации вещества. Аналогичные зависимости наблюдаются как для сульфата магния, так и для хлористого калия. Обнаружено, что с применением усиления плазмонным резонансом в золотых наночастицах можно обеспечить 15 - кратное и 5 - кратное увеличение чувствительности обнаружения сульфата магния (0,27 мг/мл) и хлорида калия (0,03 мг/мл) соответственно. Чувствительность метода для глюкозы составила 0,18 % от концентрации матричного раствора глюкозы. Это означает, что чувствительность увеличилась в 2 раза по сравнению с результатом, полученным для схемы без плазмонного усиления на золотых частицах. Экспериментальные результаты показали, что для стеклянных микросфер диаметром около 100 мкм, Q - фактор составил 105 , предел чувствительности по показателю преломления - 10-7 RUI , чувствительность по спектральному сдвигу 11 нм/RUI. Разработана методика обнаружения и идентификации биологических соединений на основе спектроскопии оптического резонанса МШГ на диэлектрических микросферах, усиленного плазмонным резонансом с использованием золотых нанослоев. Обнаружено экспериментально, что при одинаковых концентрациях различных биологических соединений, в случае наличия плазмонного резонанса наблюдается более ярко выраженный спектральный сдвиг и достигается по крайней мере двукратное улучшение чувствительности метода. Идентификационная составляющая методики включала разработанные нейросетевые алгоритмы на базе многослойного персептрона для классификации исследуемых соединений. Продемонстрирована возможность и целесообразность использования нейросетевых технологий для обработки и интерпретации данных, полученных при помощи биосенсора, использующего оптический резонанс МШГ. При этом 5 классификаторы на основе многослойного персептрона обеспечивают правильную классификацию исследуемых биологических соединений с вероятностью до 99%. Разработана методика функционализации биологическими соединениями (альбумин и фибронектин) диэлектрических микросфер, основанная на оригинальных экспериментальных исследований динамики временных изменений спектральных характеристик оптического резонанса МШГ. Продемонстрирована возможность функционализации отдельных ячеек чувствительных элементов разработанного биосенсора, их линеек и матриц различными типами белков, что позволяет существенно расширить область применения данной методики для разработки миниатюрных сенсоров, применяемых для диагностических задач.