https://doi.org/10.15407/iopt.2022.57.007
Optoelectron. Semicond. Tech. 57, 7-17 (2022)
N. V. Kachur, H. V. Dorozinska, G. V. Dorozinsky, V. P. Maslov, A. V. Fedorenko
PROSPECTS AND TRENDS IN THE DEVELOPMENT OF DEVICES AND METHODS BASED ON THE PHENOMENON OF SURFACE PLASMON RESONANCE IN THE INFRARED RANGE (REVIEW)
On the phenomenon of surface plasmon resonance (SPR) and its use for the study of gaseous and liquid substances, more and more papers are published in professional journals. These studies are used in clinical diagnostics, food industry, environmental monitoring. The advantages of SPR sensors include quick results, a small amount of analyte, the possibility of real-time measurement of such reactions as antigen-antibody, protein-protein, enzyme-substrate or inhibitor, protein-DNA, receptor-drug, protein-polysaccharide , virus protein and reactions of external stimulation of a living cell. The high sensitivity of the method is due to the properties of its resonant nature of plasmon-polariton oscillation. SPR devices are used in laboratory conditions and there is a potential possibility of further reduction of overall dimensions for use in field conditions.
The use of SPR in the IR region of the spectrum has a number of advantages, namely: the laser light penetrates deeper into the sample, it becomes possible to study substances that are not transparent in the visible region, but transparent in the infrared, which allows working with larger research objects, provides a narrower characteristic of the SPR, which allows to more accurately determine the angle of the minimum of the SPR, and also requires the application of a thinner layer of gold on the glass chip, which reduces the cost of the analysis.
The review analyzed literary sources and determined prospects for the development of devices and methods based on IR SPR, considered prospective materials of the sensitive element and prisms of the total internal reflection device according to the Kretchman scheme.
It was determined that, in addition to precious metals (gold and silver), conductive metal oxides ITO, ZnO, CdO:Dy have the prospect of being used as materials for manufacturing the sensitive element of the sensor. Their compliance with the requirements for materials for maintaining the SPR was analyzed. It is shown that CdO:Dy has the greatest potential due to sufficient mobility and density of charge carriers. But in practice, the most common use is gold and silver, for which it is necessary to determine the optimal thicknesses for the IR range of SPR.
Total internal reflection prisms (hereafter prisms) in SPR devices according to the Kretchman scheme are usually made of glass, but for the IR range it is advisable to consider other materials that are less sensitive to the temperature effect of the IR laser. The paper analyzes the dependence of the plasmon resonance parameters on the prism material. The possibility of using not only different brands of traditional glass, but also glass ceramics with practically zero coefficient of thermal expansion, semiconductor silicon and chalcogenide glass for the manufacture of prisms is shown.
Keywords: infrared range, surface plasmon resonance, IR sensitivity of the PPR device, PPR curve, sensitive element, materials for the sensitive element, materials for the prism, total internal reflection prism.
References
1. D'Orazio P. Biosensors in clinical chemistry-2011 update. Clin. Chim. Acta.2011. 412. Р.1749-1761.
https://doi.org/10.1016/j.cca.2011.06.025
2. McWhirter A., Wahlstrom L., Tudos, A.J., Schasfoort R.B.M. Handbook of Surface Plasmon Resonance. 2008. RSC: Cambridge, UK.
3. Justino C.I.L., Rocha-Santos T.A., Duarte A.C., Rocha-Santos T.A. Review of analytical figures of merit of sensors and biosensors in clinical applications. TrAC Trends Anal. Chem. 2010. 29.Р. 1172-1183.
https://doi.org/10.1016/j.trac.2010.07.008
4. Erickson D., Mandal S., Yang A.H.J., Cordovez B. Nanobiosensors: Optofluidic, electrical and mechanical approaches to biomolecular detection at the nanoscale. Microfluid. Nanofluid. 2008. 4. P.33-52.
https://doi.org/10.1007/s10404-007-0198-8
5. Nguyen H., Park J., Kang S., Kim M. Surface plasmon resonance: A versatile technique for biosensor applications. Sensors. 2015. 15. P. 10481-10510.
https://doi.org/10.3390/s150510481
6. Patching S.G. Surface plasmon resonance spectroscopy for characterisation of membrane protein-ligand interactions and its potential for drug discovery. Biochim. Biophys. Acta Biomembr. 2014. 1838. P. 43-55.
https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2013.04.028
7. Helmerhorst E., Chandler D.J., Nussio M., Mamotte C.D. Real-Time and label-free bio-sensing of molecular interactions by surface plasmon resonance: A laboratory medicine perspective. Clin. Biochem. Rev. 2012. 33. P. 161-173.
8. Yanase Y., Hiragun T., Yanase T., Kawaguchi T.; Ishii K., Hide M. Application of spr imaging sensor for detection of individual living cell reactions and clinical diagnosis of type I allergy. Allergol. Int. 2013. 62. P. 163-169.
https://doi.org/10.2332/allergolint.12-RA-0505
9. Yanase Y., Hiragun T., Ishii K., Kawaguchi T., Yanase T., Kawai M., Sakamoto K., Hide M. Surface plasmon resonance for cell-based clinical diagnosis. Sensors. 2014. 14. P. 4948-4959.
https://doi.org/10.3390/s140304948
10. Kihm K.D., Cheon S., Park J.S., Kim H.J., Lee J.S., Kim I.T., Yi H.J. Surface plasmon resonance (SPR) reflectance imaging: Far-Field recognition of near-field phenomena. Opt. Lasers Eng. 2012. 50. P.64-73.
https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2011.07.003
11. Singh P. SPR biosensors: Historical perspectives and current challenges. Sens. Actuators B Chem. 2016. 229. P. 110-130.
https://doi.org/10.1016/j.snb.2016.01.118
12. Fedorenko A., Dorozhinsky G., Dorozhinska H., Kachur N. Maslov V., Investigation of the Possibility to Use Ge p-i-n Photodiodes in Infrared SPR Sensors. European Journal of Applied Physics. 2021. 3, №4. P. 38-42.
https://doi.org/10.24018/ejphysics.2021.3.4.95
13. Azzam R., Bashara B. Ellypsometryia i poliarizovannyi svet. M.: Mir. 1981.
14. Abeles F. Optical Properties of Thin Absorbing Films. J. Opt. Soc. Am.. 1957. 47. P. 473-482.
https://doi.org/10.1364/JOSA.47.000473
15. Otto A. Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection. Z Phys. 1968. 216. P. 398-410.
https://doi.org/10.1007/BF01391532
16. Brockman J. M., Nelson B. P., Corn R. M. Surface Plasmon Resonance Imaging Measurements of Ultrathin Organic Films. Ann. Rev. Phys. Chem. 2000. 51. P. 41-63.
https://doi.org/10.1146/annurev.physchem.51.1.41
17. Karlsson R. SPR for molecular interaction analysis: a review of emerging application areas. J. Mol. Recognit. 2004. 17. P. 151-161.
https://doi.org/10.1002/jmr.660
18. Malmborg A. C., Borrebaeck C. A. K. BIAcore as a tool in antibody engineering. J. Immun. Meth. 1995. 183. P. 7-13.
https://doi.org/10.1016/0022-1759(95)00018-6
19. McMahon J. M., Schatz G. C., Gray S. K. Correction: Plasmonics in the ultraviolet with the poor metals Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, and Bi. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015. 17. P.19670-19671.
https://doi.org/10.1039/C5CP90112J
20. Wu P. C., Kim T. H., Brown A. S., Losurdo M., Bruno G., Everitt H. O. Real-time plasmon resonance tuning of liquid Ga nanoparticles by in situ spectroscopic ellipsometry. Appl. Phys. Lett. 2007. 90. P. 103119.
https://doi.org/10.1063/1.2712508
21. Sachet E. Transition Metal Oxides for Infrared Optoelectronics. North Carolina State University. 2015.
22. Zeman E. J., Schatz G. C. An accurate electromagnetic theory study of surface enhancement factors for silver, gold, copper, lithium, sodium, aluminum, gallium, indium, zinc, and cadmium. Journal of Physical Chemistry. 1987. 91. P. 634-643.
https://doi.org/10.1021/j100287a028
23. Cooper B., Ehrenreich H., Philipp H. Optical Properties of Noble Metals. II. Phys. Rev. 1965. 138. P.A494.
https://doi.org/10.1103/PhysRev.138.A494
24. Ehrenreich H., Philipp H. Optical Properties of Ag and Cu. Phys. Rev. 1962. 128. P.1622.
https://doi.org/10.1103/PhysRev.128.1622
25. Franzen S. Surface Plasmon Polaritons and Screened Plasma Absorption in Indium Tin Oxide Compared to Silver and Gold. Journal of Physical Chemistry C. 2008. 112. P. 6027-6032.
https://doi.org/10.1021/jp7097813
26. Frutos A. G., Weibel S. C., Corn R. M. Measurements by surface plasmon resonance monitor changes in thickness or the index of refraction of ultrathin organic films on metal surfaces. Analytical Chemistry. 1999. 71. P. 3935-3940.
https://doi.org/10.1021/ac9905165
27. Nelson B.P., Frutos A.G., Brockman J.M., Corn R. M. Surface Plasmon Resonance Imaging Measurements of DNA and RNA Hybridization Adsorption onto DNA Microarrays. Anal. Chem. 1999. 71. P. 3928-3934.
https://doi.org/10.1021/ac990517x
28. Nyga P., Drachev V. P., Thoreson M. D., Shalaev V. M. Mid-IR plasmonics and photomodification with Ag films. Applied Physics B. 2008. 93. P.59-68.
https://doi.org/10.1007/s00340-008-3145-9
29. Naik G. V., Shalaev V. M., Boltasseva A. Alternative Plasmonic Materials: Beyond Gold and Silver. Adv. Mater. 2013. 25. P. 3264-3294.
https://doi.org/10.1002/adma.201205076
30. Naik G. V., Kim J., Boltasseva A. Oxides and nitrides as alternative plasmonic materials in the optical range [Invited]. Opt. Mater. Exp. 2011. 1. P.1090-1099.
https://doi.org/10.1364/OME.1.001090
31. Liu X. G., Kang J. H., Yuan H. T., Park J., Cui Y., Hwang H. Y., Brongersma M. L. Tuning of Plasmons in Transparent Conductive Oxides by Carrier Accumulation. Acs Photonics. 2018. 5. P.1493-1498.
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b01517
32. Kehr S. C., Liu Y. M., Martin L. W., Yu P., Gajek M., Yang S. Y., Yang C. H., Wenzel M. T., Jacob R., von Ribbeck H. G., Helm M., Zhang X., Eng L. M., Ramesh R. Near-field examination of perovskite-based superlenses and superlens-enhanced probe-object coupling. Nat. Commun. 2011. 2. 249. P.1-9.
https://doi.org/10.1038/ncomms1249
33. Zhong Y. J., Malagari S. D., Hamilton T., Wasserman D., Review of mid-infrared plasmonic materials. J Nanophoton. 2015. 9. P. 093791.
https://doi.org/10.1117/1.JNP.9.093791
34. Lu Z., Pan X., Ma Y., Li Y., Zheng L., Zhang D., Xu Q., Chen Z., Wang S., Qu B., Liu F., Huang Y., Xiao L., Gong Q. Plasmonic-enhanced perovskite solar cells using alloy popcorn nanoparticles. RSC Adv. 2015. 5. P.11175-11179.
https://doi.org/10.1039/C4RA16385K
35. Szunerits S., Boukherroub R. Introduction to Plasmonics: Advances and Applications. Pan Stanford. 2015.
https://doi.org/10.1201/b18229
36. Kim J., Naik G. V., Gavrilenko A. V., Dondapati K., Gavrilenko V. I., Prokes S. M., Glembocki O. J., Shalaev V. M., Boltasseva A. Optical Properties of Gallium-Doped Zinc Oxide-A Low-Loss Plasmonic Material: First-Principles Theory and Experiment. Phys. Rev. X. 2013. 3. P. 041037.
https://doi.org/10.1103/PhysRevX.3.041037
37. Sachet E., Losego M. D., Guske J., Franzen S., Maria J. P. Mid-infrared surface plasmon resonance in zinc oxide semiconductor thin films. Appl. Phys. Lett. 2013. 102. P. 051111.
https://doi.org/10.1063/1.4791700
38. Minami T., Nanto H., Takata S. Optical Properties of Aluminum Doped Zinc Oxide Thin Films Prepared by RF Magnetron Sputtering. Japanese Journal of Applied Physics. 1985. 24. P. L605-L607.
https://doi.org/10.1143/JJAP.24.L605
39. Naik G. V., Boltasseva A. Semiconductors for plasmonics and metamaterials. Phys. Stat. Sol.-Rapid Res. Lett. 2010. 4. P.295-297.
https://doi.org/10.1002/pssr.201004269
40. Rhodes C., Franzen S., Maria J.-P., Losego M., Leonard D. N., Laughlin B., Duscher G., Weibel S. Surface plasmon resonance in conducting metal oxides. Journal of Applied Physics. 2006. 100. P. 054905.
https://doi.org/10.1063/1.2222070
41. Brar V. W., Jang M. S., Sherrott M., Lopez J. J., Atwater H. A. Highly confined tunable mid-infrared plasmonics in graphene nanoresonators. Nano Lett. 2013. 13. P.2541-2547.
https://doi.org/10.1021/nl400601c
42. Law S., Yu L., Wasserman D. J. Epitaxial growth of engineered metals for mid-infrared plasmonics. Vac. Sci. Tech. B, Nanotech. Microelec.: Mater., Proc., Meas. Phen. 2013. 31. P.03C121.
https://doi.org/10.1116/1.4797487
43. Sachet E., Shelton C. T., Harris J. S., Gaddy B. E., Irving D. L., Curtarolo S., Donovan B. F., Hopkins P. E., Sharma P. A., Sharma A. L., Ihlefeld J., Franzen S., Maria J. P. Dysprosium-doped cadmium oxide as a gateway material for mid-infrared plasmonics. Nat. Mater. 2015. 14. P. 414-420.
https://doi.org/10.1038/nmat4203
44. Franzen S., Rhodes C., Cerruti M., Gerber R. W., Losego M., Maria J. P., Aspnes D. E. Plasmonic phenomena in indium tin oxide and ITO-Au hybrid films. Opt. Lett. 2009. 34. P. 2867-2869.
https://doi.org/10.1364/OL.34.002867
45. Rhodes C., Cerruti M., Efremenko A., Losego M., Aspnes D. E., Maria J. P., Franzen S., Dependence of plasmon polaritons on the thickness of indium tin oxide thin films. J. Appl. Phys. 2008. 103. P.093108.
https://doi.org/10.1063/1.2908862
46. Dorozhynska H.V., Dorozhynskyi H.V., Sobol V.P., Vovk V.V., Androsiuk H.M., Maslov V.P., Kachur N.V. Vplyv materialu pryzmy na chutlyvist PPR-sensoriv. Optoеlektronyka і poluprovodnykovaia tekhnyka. 2020. № 55. S. 179-185.
47. Obreja P., Cristea D., Kusko M., Dinescu A. Polymer-based chips for surface plasmon resonance sensors. Journal of Optics A Pure and Applied Optics. 2008. 10. P. 064010.
https://doi.org/10.1088/1464-4258/10/6/064010
48. Gupta G., Kondoh J. Tuning and sensitivity enhancement of surface plasmon resonance sensor. Sens Actuators. B. 2007. 122. P. 381-388.
https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.06.005
49. Brahmachari K., Ray M. Effect of prism material on design of surface plasmon resonance sensor by admittance loci method. Front. Optoelectron. 2013. 6. P. 185-193.
https://doi.org/10.1007/s12200-013-0313-2
50. Herminjard S., Sirigu L., Herzig H. P., Studemann E., Crottini A., Pellaux J.-P., Gresch T., Fischer M., Faist J. Surface Plasmon Resonance sensor showing enhanced sensitivity for CO2 detection in the mid-infrared range. Opt. Express. 2009. 17. P. 293-303.
https://doi.org/10.1364/OE.17.000293
51. Patskovsky S., Kabashin A.V., Meunier M., Luong J. H.T. Near-infrared surface plasmon resonance sensing on a silicon platform. Sensors and Actuators B: Chemical. 2004. 97, №2-3. P. 409-414.
https://doi.org/10.1016/j.snb.2003.09.023
52. Jha R., Sharma A. K. Chalcogenide glass prism based SPR sensor with Ag-Au bimetallic nanoparticle alloy in infrared wavelength region. J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2009.11. P. 1-7.
Н. В. Качур, Г. В. Дорожинська, Г. В. Дорожинський, В. П. Маслов, А. В. Федоренко
ПЕРСПЕКТИВИ ТА ТЕНДЕНЦІЇ РОЗВИТКУ ПРИЛАДІВ
ТА МЕТОДІВ НА ОСНОВІ ЯВИЩА ПОВЕРХНЕВОГО ПЛАЗМОННОГО РЕЗОНАНСУ В ІНФРАЧЕРВОНОМУ ДІАПАЗОНІ (ОГЛЯД)
З явища поверхневого плазмонного резонансу (ППР) та використання його для дослідження газоподібних та рідких речовин все більше публікується робіт у фахових журналах. Ці дослідження застосовуються в клінічній діагностиці, харчовій промисловості, екологічному моніторингу. До переваг ППР-сенсорів слід віднести: швидке отримання результату, невелику кількість аналіту, можливість вимірювання в реальному часі таких реакцій, як антиген-антитіло, білок-білок, фермент-субстрат або інгібітор, білок-ДНК, рецептор–лікарський засіб, білок-полісахарид, білок-вірус та реакції зовнішнього стимулювання живої клітини. Висока чутливість методу обумовлена властивостями саме його резонансної природи плазмон-поляритонного коливання. ППР-прилади застосовуються в лабораторних умовах і є потенційна можливість подальшого зменшення габаритних розмірів для використання в польових умовах.
Застосування ППР в ІЧ-області спектра має ряд переваг, а саме: світло лазера проникає глибше в зразок, виникає можливість досліджувати речовини, які непрозорі у видимій області, але прозорі в інфрачервоній, що дозволяє працювати з більшими об’єктами дослідження, забезпечує вужчу характеристику ППР, що дозволяє точніше визначити кут мінімуму ППР, а також потребує нанесення тоншого шару золота на скляний чип, що зменшує вартість аналізу.
В огляді проаналізовано літературні джерела та визначені перспективи розвитку приладів та методів на основі ІЧ ППР, розглянуто перспективні матеріали чутливого елемента та призми повного внутрішнього відбиття приладу за схемою Кретчмана.
Визначено, що окрім благородних металів (золота і срібла), перспективу використання в якості матеріалів для виготовлення чутливого елемента сенсора мають провідні оксиди металів ІТО, ZnO, CdO:Dy. Проаналізована їхня відповідність вимогам до матеріалів для підтримання ППР. Показано, що найбільшу перспективу має CdO:Dy через достатню рухливість та густину носіїв заряду. Але на практиці найбільш поширене застосування золота та срібла, для яких потрібно визначити оптимальні товщини для ІЧ-діапазону ППР.
Призми повного внутрішнього відбиття (далі – призми) в ППР-приладах за схемою Кретчмана зазвичай виготовляються зі скла, але для ІЧ-діапазону доцільно розглядати і інші матеріали, які менш чутливі до температурного впливу ІЧ-лазера. В роботі проаналізовано залежність параметрів плазмонного резонансу від матеріалу призми. Показана можливість використання для виготовлення призми не лише різних марок традиційного скла, але і склокераміки з практично нульовим коефіцієнтом термічного розширення, напівпровідникового кремнію та халькогенідного скла.
Ключові слова: інфрачервоний діапазон, поверхневий плазмонний резонанс, чутливість ІЧ ППР-приладу, ППР-крива, чутливий елемент, матеріали для чутливого елемента, матеріали для призми, призма повного внутрішнього відбиття.