SLEDOVÁNÍ VLIVU KONCENTRACE ALKOHOLŮ NA ODEZVU MĚŘENOU METODOU PLASMONOVÉ REZONANCE

Transkript

1 SLEDOVÁNÍ VLIVU KONCENTRACE ALKOHOLŮ NA ODEZVU MĚŘENOU METODOU PLASMONOVÉ REZONANCE MICHAL LESŇÁK, FRANTIŠEK STANĚK, JAROMÍR PIŠTORA MARIE STAŇKOVÁ b Institut fyziky, Hornicko-geologická fkult, VŠB Technická univerzit Ostrv, 7. listopdu 5/7, Ostrv, b Ústv soudního lékřství Fkultní nemocnice Ostrv, 7. listopdu 790, Ostrv michl.lesnk@vsb.cz Došlo 9.0., přeprcováno 9.6., přijto Klíčová slov: plsmonová rezonnce, lkoholy, koncentrce roztoků Úvod Metod excitce povrchových plsmonů (Surfce Plsmon Resonnce SPR) ptří mezi moderní optické metody, které v posledních desetiletích nlezly upltnění při měření pevných kplných látek tké při studiu různých povrchů. Extrémní citlivost SPR n mlé změny indexu lomu (ž 0 8 ) je dosud úspěšně využíván zejmén v senzorových plikcích, především pro velmi citlivé detektory různorodých látek v chemii biologii (npříkld ke studiu kinetiky chemických rekcí). Dlší velkou skupinou plikcí SPR je měření mteriálových konstrukčních prmetrů tenkých vrstev dsorbovných n vhodné podložce. Fyzikální jev excitce povrchových plsmonů byl pozorován již v roce 90 Woodem 3,4, který zregistrovl neočekávný pokles intenzity světl održeného od zrcdl s mřížkou, neobjsnil všk princip. Fyzikální podsttu zčl zkoumt Lord Ryleigh 5, k pochopení jevu pk výrzně přispěl Fno 6, který jej vysvětlil pomocí excitce elektromgnetických povrchových vln. Úplné objsnění tohoto jevu podl ž roku 968 Otto 7 v témže roce Kretschmnn Rether 8,9, když popsli dvě odlišné konfigurce vhodné pro excitci povrchových plsmonů. Zhrub od konce 70. let minulého století se SPR využívá při studiu tenkých vrstev jevů n rozhrní kov dielektrikum. V počátcích 80. let minulého století se tto metod zčl upltňovt tké pro konstrukci biosenzorů, v součsné době se široce používjí senzory n principu SPR pro rychlou identifikci řdy biologicky ktivních látek, jko jsou proteiny, DNA, drogy, jedy pod. 0,. Perspektivní se jeví využití SPR v oblsti mgnetooptiky. Jko povrchové plsmony oznčujeme hromdné excitce elektronů, které jsou vázány n rozhrní mezi vodičem izolntem 3. Experimentálně lze povrchové plsmony generovt v plnární multivrstvě nebo n periodickém rozhrní (mřížce). Plsmonové vlny (oscilce) mohou být vyvolány průchodem elektronového svzku nebo rekcí n elektromgnetickou vlnu. Elektromgnetická vln dopdjící n prostředí obshující dosttečné množství volných nábojů (nejčstěji zlto), npř. elektronů v kovu, se částečně odráží od této vrstvy částečně proniká do prostředí pod vodivou vrstvou. Prošlá vln má mximum své intenzity v rovině rozhrní její intenzit exponenciálně klesá s kolmou vzdáleností od rozhrní (je oznčován jko evnescentní vln). Tto vln může z určitých podmínek vybudit v této oblsti oscilce volných nábojů. Šíření elektromgnetické vlny kovem je možné pouze pro frekvence menší než plsmonová frekvence dného kovu. V oblsti viditelného blízkého infrčerveného záření podmínku pro použití SPR splňují jen hliník, stříbro zlto. K vybuzení plsmonových oscilcí lze využít polrizovné světlo (p-polrizcí) musí být splněn podmínk rovnosti vlnových vektorů dopdjícího záření plsmonů v rovině rozhrní kov dielektrikum. Jelikož je vlnový vektor světl ve vzduchu (vkuu) menší než minimální kritická vlnová délk nutná pro excitci plsmonů v kovu, není možné vybudit plsmony dopdem světl přímo ze vzduchu. Existuje několik způsobů vybuzení povrchových plsmonů. V prxi se nejčstěji využívá vzebného hrnolu v Ottově nebo Kretchmnnově-Retherově konfigurci nebo periodické mřížky, viz obr.. U prvních dvou vrint se nejčstěji používá zltá vrstv, protože zlto je proti stříbru chemicky stbilnější. V prvním přípdě se využívá úplného odrzu n rozhrní mezi opticky hustším prostředím prostředím opticky řidším. Povrchová (evnescentní) vln může vyvolt vznik plsmonu n povrchu kovu (Ottov konfigurce obr. ) nebo přímo v tenkém kovovém filmu excitcí elektronů (Kretschmnnov-Retherov konfigurce obr. b). Je-li vodivá vrstv dosttečně tenká (řádově desítky nm), povrchové plsmony mohou být vybuzeny n vzdálenějším rozhrní této vrstvy (ve směru dopdu světelné vlny vůči rovině dopdu). V přípdě mřížky dochází k difrkci n rozhrní mjícím periodicitu srovntelnou s vlnovou délkou dopdjícího svzku. Přitom jsou v důsledku interference produkovány jednk reflektovné trnsmitovné módy, jednk módy evnescentní šířící se podél rozhrní, které mohou rovněž vybudit povrchové plsmony 5 (obr. c). Evnescentní vln je vybuzen při totálním odrzu (totl internl reflection TIR) n rozhrní mezi vzebním hrnolem nvzující vrstvou, kterou je buď ultrtenká dielektrická vrstv (vzební mezer), nebo přímo kov. Pro přípd plnární homogenní izotropní struktury lze polohu rezonnčního minim vyjádřit úhlem 4 : ( s) ( m) ε ε ε ε ε SP ( s) ( m) ( d) kde (d) je permitivit hrnolu, (m) () chrkterizuje elektric- 49

2 b c hrnol (sklo) dielektrikum kov povrchový plsmon Obr.. Experimentální konfigurce pro excitci povrchových plsmonů: Ottovo uspořádání (), Kretchmnnovo-Retherovo uspořádání (b), kovová mřížk (c) ké vlstnosti kovu (v nšem přípdě Au) (s) je permitivit podložky. Při optimlizci optické odezvy senzorů fyzikálních veličin využívjících rezonnce povrchových plsmonů se upltňují dvě hlvní strtegie jejich kombince: optimlizce geometrie senzoru optimlizce volby konstrukčních mteriálů. Npř. v práci 5 utoři doshují zlepšení odezvy SPR struktury přidáním dielektrické nnovrstvy n metlickou tenkou vrstvu. Stejného efektu bylo dosženo použitím lmelární mřížky 6. Speciálně u SPR systémů s hrnolovou vzbou n rozhrní mezi vzebním hrnolem prostředím, v němž je buzen plsmonová vln, se vkládjí kovové mřížky s binárním nebo kosinovým profilem 7. Upltnily se i geometricky složitější struktury, npř. tzv. T lmely 8 nebo periodicky uspořádné nnodráty 9. Aprtur Ke studiu možnosti měření koncentrce lkoholu bylo použito zřízení SPRi-Lb+ od firmy JY-Horib (Genoptics-Horib Scientific, Orsy, Frnce). Zřízení je zloženo n měření reflektivity dopdjícího monochromtického p-polrizovného světl (635 nm) n pevném úhlu dopdu. To umožňuje velmi rychlé získávání senzogrmu (změn reflektivity v závislosti n čse) při neměnném úhlu dopdu. Při měření se používá Kretschmnnov konfigurce. Při experimentu bylo použito zřízení SPRi pro sledování vlivu koncentrce lkoholů n odezvu měřenou metodou plsmonové rezonnce. Použit byl čip pouze se zltou vrstvou. Použitá nosná kplin byl deminerlizovná Experimentální část Při klsickém SPR měření se zznmenává změn intenzity světl dopdjícího n detektor (reflektivit) v závislosti n úhlu dopdu. Tto měření jsou popisován v publikcích 0 3. Měření je možno provádět nejenom n jediné vlnové délce, le i spektrálně (v určitém rozshu vlnových délek). Pk je možno zobrzit trojrozměrné grfy závislostí úhlu dopdu světelného pprsku, vlnové délky intenzity dopdjícího světl n detektor. Při jednom z experimentů jsme použili spektrální prturu se zdrojem bílého světl 75 W xenonovou výbojkou jko detektor byl použit spektrometr USB650 Red Tide Spectrometer s měřícím rozshem nm. Byl měřen kplný vzorek (vod) pomoci Kretchmnnovy-Retherovy konfigurce. Průtoková cel byl umístěn n dvojném rotčním goniometru. Měření bylo prováděno v rozshu 500 ž 750 nm v rozmezí 55 ž 75 úhlu dopdu. Výsledek měření je zobrzen n obr.. reflektivit úhel dopdu (deg) vlnová délk (nm) Obr.. Závislost reflektivity n vlnové délce úhlu dopdu při měření SPR. Měřená látk je vod, hrnol je z mteriálu SF0 (druh skl) s vrstvou 44 nm Au, je použit Kretchmnnov- Retherov konfigurce 49

3 změn reflektivity,5 0,5, čs, min Obr. 3. Závislost změny reflektivity n čse pro stnovení n-butnolu, originální měření vod. Do této nosné kpliny byly přidávány jednotlivé měřené vzorky dignostikovných látek prostřednictvím 00 l smyčky. Měření byl prováděn při teplotě 0 C. Teplot byl udržován pomocí regulátoru od firmy Thorlbs. Pro doprvu kpliny bylo používáno peristltické čerpdlo (Minipuls 3M3, Gilson), rychlost průtoku kpliny byl seřízen n 50 l min. Prcovní postup Měření byl proveden n deseti vzorcích roztoků v následujícím pořdí: glycerol, ethnol, isopropnol, isobutnol, n-butnol, methnol, n-hexnol, ethylenglykol, sekundární butnol terciální butnol. Měření kždého vzorku bylo pětkrát opkováno z stejných podmínek. N zákldě těchto opkování byl spočítán odhd nejistoty. Tbulk I Přehled nměřených prmetrů koncentrcí lkoholů Alkohol Prmetr b tg β[⁰] korelční koeficient odhd nejistoty index lomu Methnol -0,05,54 57,04 0,994 0,038,39 Ethnol 0,0 5,0 78,73 0,997 0,070,36 Propn--ol -0,03 5,6 79,96 0,997 0,073,377 Propn-,,3-triol -0,09,3 84,9 0,999 0,04,4593 Butn--ol 0,004 8,4 83,3 0,999 0,03,3973 -Methylpropn--ol 0,074 7,6 8,5 0,999 0,056,39908 Butn--ol -0,0 8,56 83,33 0,999 0,079,376 -Methylpropn--ol -0,0 7,75 8,64 0,998 0,09,367 Ethn-,-diol -0,05 7,6 8,5 0,999 0, n-hexn--ol -0,6 7,69 86,76 0,999 0,5,458 Prmetry, b jsou koeficienty proximce přímkou (f(x) =.x+b) závislosti reflektivity n koncentrci. Prmetr tg β udává úhel směrnice proložené přímky viz obr

4 Koncentrce testovných vzorků byl zvolen následovně (v grmech látky n 00 grmů roztoku, v hm.%): ; 0,; 0,; 0,075; 0,05; 0,05; 0,0 (vstřikování testovné látky do měřicí cely). Příslušná množství lkoholu byl odvážen pomocí nlytických vh (zn. ADAM od firmy Schoeller) s citlivostí 0,000 g. Roztoky tvořily deminerlizovná vod příslušný lkohol p.. kvlity. Měření jsme prováděli při optimálním konstntním úhlu dopdu n hrnol. Konkrétně nměřený senzogrm je uveden n obr. 3. N počátku byl prováděn klibrce, pk byl prováděn příslušná měření. K měření byl použit softwre dodný firmou Genoptics-Horib Scientific. Zprcování bylo prováděno pomocí progrmů MS Excel Mtlb. Výsledky Výsledky měření jsou znázorněny pro n-butnol n obr. 3. Experimentální dt byl signálově filtrován, bychom odstrnili vliv protékjící nosné látky (výsledný průběh zchycuje obr. 4). N počátku je oblst stbilizce děje. Grf n obr. 3 dokumentuje lineární závislost mezi signálovou odezvou při plikci SPR koncentrcí sledovné látky. Dosžené výsledky pro celý soubor testovných látek jsou shrnuty v tbulce I. Při měření se měnilo pozdí, které se postupně v průběhu experimentu ustálilo. Obr. 4 zobrzuje průběh měření po odečtení pozdí. N obr. 5 jsou zobrzeny nměřené výsledky změny reflektivity v závislosti n koncentrci. Závěr Lineární odezv SPR detektoru byl ověřen n stndrdních roztocích lkoholů v rozshu koncentrcí 0,0 ž hm.%. Příslušná směrnice přímkové závislosti závisí n počtu uhlíků struktuře lkoholu je závislá n indexu lomu kpliny. Z námi testovných látek nejnižší směrnice bylo dosženo u methnolu, nopk jko nejcitlivější se použitá metod projevil u hexnolu (přibližně řádový rozdíl). Z obr. vyplývá, že námi použitá experimentální sestv jednoznčně reguje n koncentrci 0,0 % n-butnolu. V plikovném roztoku to odpovídá změně indexu lomu Tto hodnot je ve shodě s údji publikovnými pro konstrukci sériových prlelních senzorů n bázi SPR pro nlýzu kplných látek. Ukzuje se, že mticové uspořádání tenkovrstvých oblstí se zltým pokrytím v nnoměřítku jko SPR senzoru umožňuje jednk studium nízkých koncentrcí látek v roztoku, jednk přináší i informce o prostorovém rozložení dignostikovného médi v roztoku. Uvedená geometrie senzoru SPR je cestou ke zvýšení citlivosti měřicí techniky n bázi plsmonových vln pro studium koncentrce lkoholů v dném roztoku. Metod SPR slouží k detekci identifikci dného lkoholu v roztoku jeho kvntifikci díky lineární závislosti n koncentrci. Nevýhodou je nutnost znát druh lkoholu, který je testován v nosné kplině, kterou je vod. Příspěvek byl podpořen projektem RMTVC No. CZ..05/..00/ ,4 změn reflektivity 3,9 3,4,9,4,9,4 0,9 0,4 0, čs, min Obr. 4. Závislost změny reflektivity n čse pro stnovení n-butnolu, po odečtení pozdí 494

5 4,5 změn reflektivity 4 3,5 3,5, ,05 0, 0,5 0, 0,5 0,3 0,35 0,4 0,45 koncentrce, hm.% Obr. 5. Závislost změny reflektivity n koncentrci pro stnovení n-butnolu LITERATURA. Rether H.: Surfce Plsmons on Smooth nd Rough Surfces nd on Grtings. Springer, Berlin Homol J. (ed.): Surfce Plsmon Resonnce Bsed Sensors. Springer, New York Wood R. W.: Philos. Mg. 4, 396 (90). 4. Wood R. W.: Philos. Mg. 3, 30 (9). 5. Ryleigh J. W.: Proc. R. Soc. London, Ser. A 79, 399 (907). 6. Fno U.: J. Opt. Soc. Am. 3, 3 (94). 7. Otto A.: Z. Phys. 6, 398 (968). 8. Kretschmnn E., Rether H.: Z. Nturforsh., A 3, 35 (968). 9. Kretschmnn E.: Z. Phys. 4, 33 (97). 0. Schsfoort R. B.M., Tudos A. J.: Hndbook of Surfce Plsmon Resonnce. Royl Society of Chemistry, Cmbridge Liedberg B., Nylnder C., Lundstorm I.: Sens. Actutors 4, 99 (983).. Lesňák M., Vlček J., Pištor J.: Hutnické Listy 3, 73 (0). 3. Kretschmnn E., Rether H.: Z. Nturforsch A3, 35 (968). 5. Iwt T., Komod G.: Appl. Opt. 47, 386 (008). 6. Abdulhlim I.: The nd Mediterrnen Conference on Nno-Photonics, MediNno-, Athens, Greece, 6 7. Oct Wu B., Wng Q.-K.: Chin. Phys. Lett. 5, 668 (008). 8. Alleyne C. J.: Opt. Express 5, 863 (007). 9. Byun K. M., Kim S. J.: Opt. Express 3, 3737 (005). 0. Tlik A., Lesňák M., Pištor J.: 6th Polish-Slovk- Czech Opticl Conference on Wve nd Quntum Aspects of Contemporry Optics, Polnic Zdroj; 8. Sept.. Sept. 008, Book of Abstrcts (Agnieszk Popiolek-Msjd, ed.), str Wng Y., Pištor J., Lesňák M., Vlček J., Stněk, F.: GeoSci. Eng. 4, 53 (009).. Vlček J., Pištor J., Lesňák M.: Proc. SPIE 7356, 7356 (009). 3. Tlík A., Lesňák O., Pištor J.: GeoSci. Eng., 54 (008). M. Lesňák, F. Stněk, J. Pištor, nd M. Stňková b ( Deprtment of Physics, Mining- Geologicl Fculty, Mining University, Technicl University, Ostrv, b Deprtment of Forensic Medicine, University Hospitl, Ostrv): Observtion of the Influence of Alcohol Concentrtion on Plsmon Resonnce Response Detection, identifiction nd quntifiction of lcohol in queous solution by surfce plsmon resonnce is described. 495