Wystąpienie ustne Teresa Staniszewska (BIO-Wt)
Stosunek kontrastu do szumu jako kryterium jakości biosensorów wykorzystujących zjawisko rezonansu plazmonowego w metalicznych nanocząstkach
Instytut Fizyki, Uniwersytet Mikołaja Kopernika, Grudziądzka 5, 87-100 Toruń, Polska
Zjawisko zlokalizowanego powierzchniowego rezonansu plazmonowego (Localized Surface Plasmon Resonance – LSPR) zachodzące w nanoczastkach metalicznych wykazuje duży potencjał w konstrukcji biosensorów zdolnych do wykrywania pojedynczych biomolekuł. Dzięki temu, że widmo rezonansowe nanocząstki zmienia się na skutek zmiany współczynnika załamania w jej najbliższym otoczeniu, możliwa jest detekcja molekuł niewykazujących luminescencji podczas przyłączania do nanocząstki.
Dla zwiększenia czułości biosensorów niezbędna jest optymalizacja kształtu i wymiarów stosowanych nanocząstek. Tradycyjnie używane kryteria jakości (Figure of Merit – FOM) nie uwzględniają występowania szumu, a jedynie parametry widma: szerokość i przesunięcie rezonansu, lub względną zmianę przekroju czynnego. W niniejszej pracy, wprowadziliśmy alternatywne, uniwersalne kryterium jakości - stosunek kontrastu do szumu (contrast-to-noise ratio - CNR). Przez kontrast należy tu rozumieć zmianę mierzonego sygnału na skutek przyłączenia pojedynczej molekuły analitu do nanocząstki. Założyliśmy, że detekcja jest ograniczona szumem śrutowym.
Przy zastosowaniu przybliżenia dyskretnych dipoli (discrete dipole approximation) przeanalizowaliśmy zmiany widma złotych nanoprętów (nanorod) na skutek przyłączenia pojedynczej molekuły analitu w środowisku odpowiadającym warunkom eksperymentalnym. Zbadaliśmy nanopręty o szerokości 10-40 nm i stosunku długości do szrokości (aspect ratio) od 2 do 5. Nanopręty pokryte są dielektryczną otoczką symulująca funkcjonalizację i pasywację powierzchni, oraz umieszczone na granicy wody i szkła. Analit modelowany jest jako dielektryczna kulka o średnicy 5 nm.
Znaleźliśmy optymalne wymiary dla biosensorów wykorzystujących rozpraszanie (pomiary przesunięcia widma oraz pomiary natężenia rozpraszania dla stałej długości fali na zboczu widma) oraz absorpcję (metoda fototermiczna). W przypadku źródła światła o stałej, niskiej mocy optymalne rozmiary nanopręta są zbliżone dla wszystkich wyżej wspomnianych metod i wynoszą ok. 20 x 80 nm. Przy założeniu wysokiej mocy, ograniczonej przez wzrost temperatury nanocząstki o 1⁰C, najkorzystniejsze wymiary dla przypadku rozpraszania pozostają podobne (17 x 71 nm), natomiast dla metody fototermicznej przyjmują wartość 10 x 41 nm.
Dodatkowo dla nanopręta o wymiarach 20 x 80 nm przeanalizowaliśmy wpływ parametrów analitu i otoczki na CNR. Właściwościami o dużym znaczeniu okazały się być wielkość, kształt, położenie i współczynnik załamania analitu oraz grubość otoczki.