Plasmonické nanostruktury pro optické biosenzory

Rok: 2011

doc. Ing. Jiří Homola, CSc., DSc.

Optické biosenzory umožňují sledování biomolekulárních interakcí v reálném čase a rychlou a zároveň citlivou detekci chemických a biologických látek. Mezi potenciální oblasti jejich využití patří lékařská diagnostika, monitorování životního prostředí a kontrola jakosti potravin. Optické biosenzory využívají řady fyzikálních principů. K nejrozvinutějším a nejrozšířenějším optickým biosenzorům patří senzory využívající rezonanční excitace povrchových plasmonů. V Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v.i. jsme zkoumali různé typy plasmonických nanostruktur pro zvýšení detekčních schopností plasmonických biosenzorů. Ve spolupráci s University of Washington, Seattle (USA) jsme se zabývali „kvazi-3D“ plasmonickými nanostrukturami, které se skládají z tenké kovové vrstvy perforované nanodírami a vrstvy kovových nanodisků, oddělených od sebe tenkou dielektrickou vrstvou [1, 2]. Teoretické a experimentální studium prokázalo, že Fabry-Pérotovské resonance v těchto strukturách umožňují dosáhnout velmi silné lokalizace elektromagnetických polí a díky tomu jsou zajímavé pro biosenzory založené na povrchem zesílené Ramanově spektroskopii (SERS) [2]. Dále jsme ve spolupráci s vědci z Karl-Franzens Universität Graz (Rakousko) zkoumali vlastnosti polí plasmonických nanočástic. Předmětem našeho teoretického i experimentálního studia byla lokální citlivost zlatých nanotyček ke změnám indexu lomu. Ukázali jsme, že rozložení lokální citlivosti odpovídá rozložení lokálního elektromagnetického pole [3]. Na základě tohoto výzkumu plasmonických nanostruktur jsme vyvinuli nový biosenzor založený na polích zlatých nanotyček [4]. Tento senzor je schopen detekovat molekuly DNA v nízkých koncentracích (až 100 pM) a nejnižší detekovatelné povrchové pokrytí odpovídá méně než jedné molekule DNA na jednu nanočástici [4].

Spektrální závislost extinkce plasmonické nanostruktury sestávající z uspořádaného souboru zlatých nanotyček určená pro dva různé indexy lomu okolí a detail nanostruktury pozorovaný rastrovacím elektronovým mikroskopem.

1. Xu, J. – Guan, P. – Kvasnička, P. – Gong, H. – Homola, H. – Yu, Q.: Light transmission and surface-enhanced Raman scattering of quasi-3D plasmonic nanostructure arrays with deep and shallow Fabry-Pérot nanocavities, Journal of Physical Chemistry C, Vol. 115, (2011), 10996–11002.
2. Xu, J. – Kvasnička, P. – Idso, M. – Jordan, R. W. – Gong, H. – Homola, J. – Yu, Q.: Understanding the effects of dielectric medium, substrate, and depth on electric fields and SERS of quasi-3D plasmonic nanostructures, Optics Express Vol. 19, (2011), 20493-20505.
3. Piliarik, M. – Kvasnička, P. – Galler, N. – Krenn, J. R. – Homola, J.: Local refractive index sensitivity of plasmonic nanoparticles, Optics Express Vol. 19, (2011), 9213–9220.
4. Piliarik, M. – Šípová, H. – Kvasnička, P. – Galler, N. – Krenn, J. R. – Homola J.: High-resolution biosensor based on localized surface plasmons, Optics Express, Vol. 20, (2012), 672–680.