Анотація до роботи:

Чегель В. І. Вплив діелектричних характеристик середовища та зовнішніх факторів на параметри фізичних та біологічних сенсорів на основі поверхневого плазмонного резонансу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем. – Інститут фізики напівпровідників НАН України, Київ, 2002.

Представлена робота присвячена дослідженню фізичних процесів взаємодії світла з багатошаровою плівковою структурою межі поділу: поверхня призми повного внутрішнього відбивання - досліджуване середовище та розробці нового високочутливого оптоелектронного спектрометра для реєстрації біологічних реакцій та кількісного визначення діелектричних характеристик та геометрії середовища в реальному режимі часу. В основу розробки було покладене явище поверхневого плазмон-поляритонного резонансу в тонких плівках золота та срібла.

1. Процеси збудження поверхневого поляритон-плазмонного резонансу в сенсорах ППР за схемою Кречмана більш адекватно описуються в рамках моделі ізотропної багатошарової системи на основі матриці ефективних оптичних констант і товщини перехідних шарів, в якій враховано наявність перехідних шарів та геометричної неідеальністі поверхні. Ця модель дозволяє провести розрахунок основних параметрів сенсора і оптимізувати конструкцію чутливої частини сенсору.

2. Встановлено, що форма ППР-кривої та кутове положення мінімуму залежать від зовнішнього електричного потенціалу. Запропоновано механізм впливу, що базується на зміні комплексних діелектричних сталих як металу, так і досліджуваного молекулярного шару.

3. Встановлено, що форма кривої та кутове положення мінімуму ППР-сенсору з шаром срібла залежать від протікаючої на межі поділу Ag-As₂S₃ фотохімічної реакції. Доведено, що при формуванні структури Ag- As₂S₃ утворюється тонкий (близько 0,7-1 нм) проміжний шар Ag₂S.

4. Запропоновано та розроблено полімерну матричну структуру на основі декстрану, що значно збільшує величину ППР-відгуку при іммобілізації в її об’ємі білків в порівнянні з іммобілізацією безпосередньо на поверхні металу. Диференціація функцій електростатичного притягування та ковалентного зв’язування між сульфатними та альдегідними групами дозволяє розширити діапазон використання ППР-біосенсорів по значенню рН досліджуваного середовища з біомолекулами.

5. Встановлено, що величина відгуку ППР зростає при вихідній кутовій позиції резонансу в діапазоні 75-80⁰ в результаті зменшення тангенціальної складової хвильового вектору фотону в області кутів падіння лазерного променя, близьких до /2.

6. Запропонована методика математичного аналізу форми кривої ППР дозволяє визначити не менше як три параметри (ефективні коефіцієнти заломлення та поглинання, товщина) досліджуваної структури.

7. Повне використання z-складової затухаючого електричного поля поверхневого плазмону при вимірюванні структур з товщиною порядку довжини хвилі дозволяє підвищити чутливість методу та спостерігати структурні зміни в досліджуваних матеріалах.

8. Запропоновано методику визначення концентрації біомолекул малих розмірів молекул з використанням природньої матричної структури на основі рослинного білку D1, яка дозволяє досліджувати взаємодію між біомолекулами, молекулярна маса яких не перевищує 200 а.о.

9. Створений ППР–прилад має важливі переваги перед існуючими приладами, такі як можливість широкодіапазонного варіювання кута падіння лазерного променя, ретрорефлекторний принцип відбиття та автоматизовану систему калібрування, що дозволяє шляхом математичного аналізу експериментальної кривої ППР отримувати кількісні характеристики діелектричних констант та товщини плівок для широкого спектру досліджуваних матеріалів.

Публікації автора:

1. Kostioukevich S.A., Shirshov Y.M., Matsas E.P., Chegel V.I., Stronski A.V., Subbota Y.V., Shepelyavi P.E.. Application of surface plasmon resonance for the investigation of ultrathin metal films // SPIE Proc. of conference on optical diagnostics of materials and devices for opto-, micro-, and quantum electronics. - 1995.- vol. 2648.- P.144-151.

2. Beketov G.V., Shirshov Yu.M., Shinkarenko E.V., Chegel V.I. Surface plasmon resonance spectroscopy: prospects of superstrate refractive index variation for separate extraction of molecular layer parameters // Sensors & Actuators.- 1998. -B48.- P.425-432.

3. Shirshov Y.M., Chegel V.I., Subbota Y.V., Matsas E.P., Rachcov A.E., Sergeeva T.A.. Determination of dielectric constant and thickness of thin biological layers using surface plasmon resonance // SPIE Proc. of International conference on optical diagnostics of materials and devices for opto-, micro-, and quantum electronics. - 1995.- vol. 2648.- P.118-123.

4. Chegel V.I., Shirshov Y.M., Piletskaya E.V., Piletsky S.A.. Surface Plasmon Resonance Sensor for pesticide detection // Sensors & Actuators.- B48.- 1998.- P.456-461.

5. Chegel V.I., Subota Y.V., Maystrenko A.S., Shynkarenko E.V., Chegel Y.V. Computational modeling of surface plasmon resonance curves changes after thermal treatment of plasmon carrier layer // Proc. of 5th NEXUSPAN Workshop on Thermal Aspects in Microsystem Technology.- Budapest (Hungaary).- 1998.- P.59-62.

6. Lavrik N.V., Shirshov Y.M., Chegel V.I., Subota Y.V., Rachkov A.E. Factors affecting the rate of nonspecific protein binding onto solid surfaces: observation using SPR // SPIE Proc. Conference BiOS Europe’97.- 1998.- vol. 3199.- P.197-203.

7. Чегель В.І., Пілецький С.О., Пілецька О.В.. Реєстрація біомолекул малих розмірів методом поверхневого плазмонного резонансу // Вісник ХДУ.- № 434, Біофізичний вістник.- 1999.- Вип.3.- C.51-55.

8. Shirshov Y.M., Chegel V.I., Subota Y.V., Matsas E.P., Kostioukevich S.A., Rachcov A.E., Merker R.. Biosensors, based on SPR and optimization of their working parameters // SPIE Proc. of International Conference on metal/nonmetal Microsystems.- 1995.- vol. 2780.- P.257-260.

9. Chegel V., Shirshov Yu., Avilov S., Verevka S., Demchenko M., Mustafaev M. Oxidized polysaccharides as matrix structures for surface plasmon resonance biosensors // Functional Materials.- 2000.- 7.- 4 (1).- P.703-710.

10. Shirshov Y.M., Beketov G.V., Chegel V.I., Matsas E.P., Kostioukevich E.V., Venger E.F., Zynio S.A., Snopok B.A., Merker R.. Overall reflectivity curve analysis for enhancing the informativity of molecular layer studies using surface plasmon resonance // Proc. of European Conference on Organized Films. -Sheffield (UK). –1996.- P.7-10.

11. Chegel V., Shirshov Yu., Demchenko M., Mustafaeva Z., Avilov S. Polymeric gel structures for liquid chromatography. Characterization by surface plasmon resonance // Functional Materials.- 2000.- 7.- 4 (1).- P.717-722.

12. Chegel V., Raitman O., Katz E., Gabai R., Willner I. Photonic Transduction of Electrochemically-triggered redox-functions of polyaniline films using surface plasmon resonance spectroscopy // Chem. Commun.- 2001.- P.883-884.

13. Gabai R., Sallacan N., Chegel V., Bourenko T., Katz E and Willner I. Characterization of swelling of acryamidophenilboronic acid-acrylamide hydrogels upon interaction with glucose by Faradaic Sprctroscopy, Chronopotentiometry, quartz-crystal microbalance(QCM) and surface plasmon resonsnce (SPR) experiments // J.Phys.Chem. B.- 2001.- 105.- P.8196-8202.

14. Raitman O., Katz E., Willner I., Chegel V. and Popova G. Photonic Transduction of a Three-State Electronic Memory and of Electrochemical Sensing of NADH Using Surface Plasmon Resonance Spectroscopy // Angewandte Chemie.- 2001.- 40.- No.19.- Р. 3649-3652.

15. Авілов С.В., Верьовка С.В., Демченко О.П., Чегель В.І., Ширшов Ю.М. Порівняльне дослідження іммобілізації пероксидази хріну на поверхні золота методом поверхневого плазмонного резонансу // Український біохімічний журнал.- 2001.- т.73.- №2.- C. 44-50.

16. Chegel V.I., Shirshov Yu.M., Kostyukevich S.O., Shepeliavy P.E., Chegel Yu.V. Experimental investigations and computer modelling of the photochemical processes in Ag-As₂S₃ structures using surface plasmon resonance spectroscopy // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2001.- V4.- N 4.- P.301-306.

17. Chegel V.I., Chegel Y.V. SPR bioanalysys: simulation of biomolecular interactions and optimisation of sensitivity of method // Abstract book of the 11th International Symposium on Pharmaceutical and Biomedical Analysis PBA 2000. -Basel (Switzerland).- 2000.-P.57.

18. Berezhinsky L.I., Chegel V.I., Shirshov Yu.M., Dovbeshko G.I., Melnichuk O.V. SPR-spectroscopy of protein molecules adsorbed in microwave field // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics.- 2001.- V4.- N 4.- P.343-347.

19. Chegel V., Shirshov Yu., Avilov S., Demchenko M., Mustafaev M. A novel aldehyde dextran sulfonate matrix for affinity biosensors // J.Biochem.Biophys Methods.- 2002.- V.50.- P.201-216.

20. Патент 46018 Україна, МПК G O1N 21/25 Спосіб детектування та визначення концентрації біомолекул та молекулярних комплексів та пристрій для його здійснення / Ширшов Ю.М., Венгер Є.Ф., Прохорович А.В., Ушенін Ю.В., Мацас Є.П., Чегель В.І., Самойлов А.В.(Украина); Бюл.№5; Заявл.22.10.1997; Опубл. 15.05.2002.