https://doi.org/10.15407/jopt.2017.52.091
Optoelectron. Semicond. Tech. 52, 91-99 (2017)
Viktor Dan’ko, Ivan Indutnyi, Yuriy Ushenin, Victor Myn’ko, Dirk Hegemann, Marianne Vandenbossche, Petro Shepeliavyi, Mariia Lukaniuk, Petro Lytvyn, Roman Khrystosenko
INVESTIGATION OF THE SENSITIVITY INHERENT TO SENSOR Au CHIPS WITH NANOSTRUCTURED SURFACE
The results of studying the sensitivity of surface plasmon resonance biosensor based on nanostructured Au chips have been presented. Periodic relief in the form of a grating with submicron spatial frequency was created on the Au chip surface by using interferential lithography with vacuum chalcogenide photoresists. The spatial frequency of a grating was selected from the conditions of proximity to Bragg reflection of surface plasmon-polaritons for the set operation wavelength of the biosensor (850 nm) and the refractive index of the studied environment (solution of glycerol in water). Functionalization of the operation surface of the chip was carried out using plasma-stimulated deposition of polymeric a-C:H:O films with the effective thickness 5 and 10 nm. It has been ascertained that (2…4)-fold increasing the biosensor sensitivity as a result of grating formation and the width of the operation range of the environment refractive index (n) have been defined by the depth of the grating relief and have not depended on the thickness of the functional polymeric nanolayer. This functionalization of the chip surface merely results in the shift of the operation range position to smaller values of n as compared to that of uncoated chips. The operation range position of the nanostructured sensor chip can be adjusted to the refractive index of the studied environment by rotation of the chip in the azimuthal direction.
Keywords: surface plasmon resonance, biosensor, interferential lithography, functional polymeric films
References
1. Maier S.A. Plasmonics, Fundamentals and Applications. New York: Springer Science & Business Media, 2007.
2. Homola J. Present and future of surface plasmon resonance biosensors. Anal. Bioanal. Chem. 2003. 377, No 3. P. 528-539.
https://doi.org/10.1007/s00216-003-2101-0
3. Gobi K.V., Tanaka H., Shoyama Y., Miura N. Continuous flow immunosensor for highly sensitive and real-time detection of sub-ppb levels of 2-hydroxybiphenyl by using surface plasmon resonance imaging. Biosensors &Bioelectronics. 2004. 20. P. 350-357.
https://doi.org/10.1016/j.bios.2004.02.003
4. Habauzit D., Chopineau J., Roig B. SPR-based biosensors: a tool for biodetection of hormonal compounds. Anal. Bioanal. Chem. 2007. 387, No 4. P. 1215-1223.
https://doi.org/10.1007/s00216-006-0958-4
5. Shankaran D.R., Gobi K.V.A., Miura N. Recent advancements in surface plasmon resonance immunosensors for detection of small molecules of biomedical, food and environmental interest. Sensors and Actuators B: Chem. 2007. 121, No 1. P. 158-177.
https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.09.014
6. Ruffato G., Pasqualotto E., Sonato A., Zacco G., Silvestrie D., Morpurgo M., De Toni A., Romanato F. Implementation and testing of a compact and high-resolution sensing device based on grating-coupled surface plasmon resonance with polarization modulation. Sensors and Actuators B: Chem. 2013. 185. P. 179-187.
https://doi.org/10.1016/j.snb.2013.04.113
7. Kretschmann E. Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflächenplasmaschwingungen. Zeitschrift für Physik. 1971. 24. P. 313-324.
https://doi.org/10.1007/BF01395428
8. Shalabney Atef and Abdulhalim Ibrahim. Sensitivity-enhancement methods for surface plasmon sensors. Laser Photonics Rev. 2011. 5, No 4. P. 571-606.
https://doi.org/10.1002/lpor.201000009
9. Alleyne C.J., Kirk A.G., McPhedran R.C., Nicorovici N-A.P. and Maystre D. Enhanced SPR sensitivity using periodic metallic structures. Opt. Exp. 2007. 15. P. 8163-8169.
https://doi.org/10.1364/OE.15.008163
10. Bonod N., Popov E., McPhedran R.C. Increased surface plasmon resonance sensitivity with the use of double Fourier harmonic gratings. Opt. Exp. 2008. 16. P. 11691-11702.
https://doi.org/10.1364/OE.16.011691
11. Fohlerova Z., Skladal P., Turanek J. Adhesion of eukaryotic cell lines on the gold surface modified with extracellular matrix proteins monitored by the piezoelectric sensor. Biosens. Bioelectron. 2007. 22. P. 1896-1901.
https://doi.org/10.1016/j.bios.2006.08.015
12. Marx K. Quartz crystal microbalance: A useful tool for studying thin polymer films and complex biomolecular systems at the solution−surface interface. Biomacromolecules. 2003. 4. P. 1099-1120.
https://doi.org/10.1021/bm020116i
13. Peluso P., Wilson D., Do D. et al., Optimizing antibody immobilization strategies for the construction of protein microarrays. Anal. Biochem. 2003. 312. P. 113-124.
https://doi.org/10.1016/S0003-2697(02)00442-6
14. Nakamura R., Muguruma H., Ikebukuro K., Sasaki S., Nagata R., Karube I., Pedersen H. A plasma-polymerized film for surface plasmon resonance immunosensing. Anal. Chem. 1997. 69, No 22. P. 4649-4652.
https://doi.org/10.1021/ac970571i
15. Hegemann D., Lorusso E., Butron Garcia M.I., Blanchard N.E., Rupper P., Favia P., Heuberger M., Vandenbossche M. Suppression of hydrophobic recovery by plasma polymer films with vertical chemical gradients. Langmuir. 2016. 32. P. 651-654.
https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.5b03913
16. Vandenbossche M., Butron Garcia M.I., Schütz U., Rupper P., Amberg M., Hegemann D. Initial growth of functional plasma polymer nanofilms. Plasma Chem. Plasma Process. 2016. 36, P. 667-677.
https://doi.org/10.1007/s11090-015-9690-1
17. Manakhov A., Makhneva E., Skladal P., Necas D., Cechal J., Kalina L., Elias M., Zajickova L. The robust bioimmobilization based on pulsed plasma polymerization of cyclopropylamine and glutaraldehyde coupling chemistry. Appl. Surf. Sci. 2016. 360, Part A. P. 28-36.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2015.10.178
18. Makhneva E., Manakhov A., Skladal P., Zajickova L. Development of effective QCM biosensors by cyclopropylamine plasma polymerization and antibody immobilization using cross-linking reactions. Surface &Coatings Technology. 2016. 290. P. 116-123.
https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.09.035
19. Dan'ko V.A., Dorozinsky G.V., Indutnyi I.Z., Min'ko V.I., Ushenin Yu.V., Korchovyi A.A., Khrystosenko R.V. Nanopatterning Au chips for SPR refractometer by using interference lithography and chalcogenide photoresist. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. 2015. 18. P. 438-442.
https://doi.org/10.15407/spqeo18.04.438
20. Indutnyi I., Ushenin Yu., Hegemann D., Vandenbossche M., Myn'ko V., Shepeliavyi P., Lukaniuk M., Korchovyi A., Khrystosenko R. Enhancing surface plasmon resonance detection using nanostructured Au chips. Nanoscale Res. Lett. 2016. 11. P. 535.
https://doi.org/10.1186/s11671-016-1760-7
21. Arriola A., Rodriguez A., Perez N., Tavera T., Withford M.J., Fuerbach A., and Olaizola S.M. Fabrication of high quality sub-micron Au gratings over large areas with pulsed laser interference lithography for SPR sensors. Opt. Mater. Exp. 2012. 2. P. 1571-1579.
https://doi.org/10.1364/OME.2.001571
22. Vala M. and Homola J. Flexible method based on four-beam interference lithography for fabrication of large areas of perfectly periodic plasmonic arrays. Opt. Exp. 2014. 22, No 15. P. 18778-18789.
https://doi.org/10.1364/OE.22.018778
23. Gazzola E., Brigo L., Zacco G., Zilio P., Ruffato G., Brusatin G. & Romanato F. Coupled SPP modes on 1D plasmonic gratings in conical mounting. Plasmonics. 2014. 9, No 4. P. 867-876.
https://doi.org/10.1007/s11468-013-9624-9
24. Johnson P.B. and Christy R.W. Optical constants of the noble metals. Phys. Rev. B. 1972. 6. P. 4370-4379.
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.6.4370
В.А. Данько, І.З. Індутний, Ю.В. Ушенін, В.І. Минько, Д. Хегеманн1 , М. Ванденбоше1 , П.Є. Шепелявий, М.В. Луканюк, П.М. Литвин, Р.В. Христосенко
ДОСЛІДЖЕННЯ ЧУТЛИВОСТІ СЕНСОРНИХ Au ЧИПІВ З НАНОСТРУКТУРОВАНОЮ ПОВЕРХНЕЮ
Наведено результати дослідження чутливості ППР біосенсора з наноструктурованими Au чипами. Періодичний рельєф у вигляді ґраток з субмікронною просторовою частотою було сформовано на поверхні Au чипа за допомогою інтерференційної літографії з використанням вакуумних халькогенідних фоторезистів. Просторову частоту ґраток було вибрано з умови близькості до бреггівського відбиття поверхневих плазмон-поляритонів для заданої робочої довжини хвилі сенсора (850 нм) та показника заломлення досліджуваного середовища (розчин гліцерину у воді). Функціоналізація робочої поверхні чипа здійснювалась за допомогою плазмово-стимульованого осадження полімерних a-C:H:O плівок з ефективною товщиною 5 та 10 нм. Установлено, що кратність підвищення (від 2 до 4) чутливості біосенсора внаслідок формування ґратки та ширина робочого інтервалу показника заломлення (n) середовища визначаються глибиною рельєфу ґратки і не залежать від товщини функціонального полімерного наношару. Така функціоналізація лише викликає зсув положення робочого інтервалу до менших значень n порівняно з вихідними чипами. Положення робочого діапазону наноструктурованого сенсорного чипа може бути узгоджено з величиною показника заломлення досліджуваного середовища шляхом азимутального повороту чипа.
Ключові слова: поверхневий плазмонний резонанс, біосенсори, інтерференційна літографія, функціональні полімерні плівки.