Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» Физико-технологический институт Кафедра физических методов и приборов контроля качества Trends and challenges of refractometric nanoplasmonic biosensors Перевод статьи Автор работы: студент гр. Фт-180009 ________________ П.В. Сухачев (подпись, дата) Научный руководитель: канд. физ.-мат. наук, доцент ________________ С.В. Звонарев (подпись, дата) Екатеринбург 2018 ТЕНДЕНЦИИ И ПРОБЛЕМЫ РЕФРАКТОМЕТРИЧЕСКИХ НАНОПЛАЗМОННЫХ БИОДАТЧИКОВ: ОБЗОР РЕЗЮМЕ Мотивированнный потенциальными преимуществами, такими как миниатюризация датчика, возможностью мультиплексирования увеличения чувствительности, рефрактометрическое наноплазмонное применение биосенсоров включило в себя в короткое время интересную альтернативу стандартным биосенсорам на основе поверхностного плазмонного резонанса (SPR). Это последняя стандартная концепция обнаружения подвергалась в течение прошлых десятилетий сильной коммерциализации, таким образом, сильная склонность на хорошо развитую тонкоплёночную химическую поверхность. Не удивительно, примеры, показанные в литературе основаны на концепции обнаружения, характеризуется обширными аналитическими исследованиями соответствующих клинических и диагностических проблем. Напротив, более новый Локализованный Поверхностный Плазмонный Резонанс (LSPR) альтернатива находит себя много раньше, и особенно, более фундаментальный этап развития. Движущиеся на основе новых методологий изготовления наноструктурированных подложек, опубликованные работы обычно фокусируются на новизне представленного материала, на его оптических свойствах и его использование обычно ограничивается доказательством концепции-как биосенсорная схема без маркировки. Учитывая различные этапы развития SPR и LSPR датчики находят себя; становится очевидным, что, обеспечивая сравнительный анализ оба понятия не являются банальной задачей. Тем не менее, в этом обзоре мы приложим усилия, чтобы обеспечить беглый обзор, который проиллюстрирует прогресс, достигнутый в обеих областях в течение последних пяти лет. Во-первых, мы обсудим большинство соответствующих достижений в применении биосенсеров на основе поверхностного плазмонного резонанса (SPR), включая интересное аналитическое применение вместе с различными стратегиями, которые улучшение работы, пропускную способность и/или интеграцию. Впоследствии, оставшаяся часть данной работы сосредотачивается на использовании наноплазмонных датчиков для реального применения без маркировки. Во-первых, мы обсудим мотивацию, которая является движущей силой этой темы исследования вместе с кратким обзором, который включает в себя главные способы фальсификации используемый в этой области. Далее представлено исследование датчика (LSPR), где анализируются различные параметры, которые могут быть вызваны для количественной оценки их чувствительности. Выделены два аспекта, которые оказываются особенно важны, когда пытаешься максимизировать их чувствительность, будучи (1) целенаправленной функционализацией электромагнитных горячих точек наноструктур и (2) преодоление неотъемлемого отрицательного влияния, которое обусловлено наличием стержня с высоким показателем индекса преломления, который поддерживает наноструктуры. Далее, хотя несколько мало, приводится обзор наиболее исчерпывающих и диагностически значимых анализов (LSPR), о которых недавно говорилось в литературе, следуют примеры, которые используют свойственные (LSPR) характеристики для того, чтобы создать высоко интегрированные и высокопроизводительные оптические биосенсоры. В конце концов, мы обсудим ряд высказываний, которые, по нашему мнению, должны быть адресованы в заказ, чтобы добиться реализации конкурентоспособными автономного уровнями (LSPR) чувствительностями, биосенсора надёжности с и интеграции (по сравнению с обычным SPR датчиком) значительно ближе к реальности. 1. Введение Движимый растущей потребностью в быстром, чутком, экономичном, биосенсоры с низким потреблением реагентов и лёгких в использовании для применения в клинической и биомедицинской областях; несчётное число биосенсорных конфигураций и устройств появилось в литературе в течение последних десятилетий. В связи с этим основной неудовлетворённый диагностический спрос-это необходимость компактных устройств для оказания медицинской помощи (POC), которые могут предоставить мгновенные результаты в любом месте в любое время, предлагая возможность персонализированного ухода, который может привести к улучшению состояния здоровья. В настоящее время чётко определенные технологии оптических биосенсоров демонстрируют неоспоримые преимущества по сравнению с другими биосенсорными технологиями, включая высокую устойчивость к электромагнитным (EM) помехам, лучшую стабильность к агрессивной окружающей среде и, прежде всего, способность обеспечения измерений без маркировок мультиплексирования и в сочетании с миниатюризации, их потенциалом предлагая для замечательные перспективы для высокоинтегрированных устройств. Среди различных оптических восприятий встречаются платформы, которые основаны на использовании плазмонных структур, здесь существует множество преимуществ и, следовательно, считаются ключевыми компонентами для создания передовых биосенсорных платформ. Плазмоника-область науки, которая изучает взаимодействие электромагнитного излучения с металлами. Резонансная связь оптических волн со свободными электронами металла может привести к поверхностным модам (EM), которые обычно упоминаются как поверхностные плазмоны (SPs). Эти плазмонныце моды, как правило, возбуждаются на поверхности благородного металла и диэлектрика, что соответствует возбужденному состоянию поверхностного плазмона, которое требует наличие двух соседних материалов с Поверхностные противоположными плазмоны интенсивности на границе знаками демонстрируют раздела своё оптических констант. максимальное металл-диэлектрик, пока поле волны, проникающие в обе смежные среды. Непостоянное поле, которое проникает в окружающий диэлектрик, снабжает поверхностный плазмон (SP) с чувствительным датчиком, который чрезвычайно чувствителен к изменениям индекса преломления (RI) близко к поверхности металла. Данные свойства эксплуатируются, когда плазмонные структуры используются в качестве рефрактометрических чувствительных платформ: изменения, которые происходят в непосредственной близости поверхности металл-диэлектрик, такие как присоединение или распознавание биомолекул, вызывают изменения (RI), которые меняют условия возбуждения (SP). Эти изменения могут быть отслежены с течением времени, обеспечивая измеримое количество для обнаружения биомолекулярных взаимодействий без маркировки. Поверхностные плазмоны (SPs) обычно бывают двух видов: распространяющиеся поверхностные плазмоны (SPs) возбуждаются на тонких металлических плёнках, обычно называемые поверхностные плазмонполяритоны (SPPs) или поверхностные плазмонные резонансы (SPRs) и локализованные поверхностные плазмонные резонансы (LSPRs), последние из которых являются поверхностными плазмонами (SPs) и возбуждаются на наночастицах металла субволнового размера (см. Фигура 1). Локализованные поверхностные плазмонные резонансы (LSPRs) снабжают металлические наночастицы с примерами сечения поглощения и рассеяния на определённых длинах волн, открывая полный мир ярких и живо окрашенных наноструктур в VIS и NIR областях светового спектра. Теоретический интерес к оптическим свойствам наночастиц металла относится к двадцатому веку. Однако, до недавнего времени всплеском нанотехнологий, обеспечивая новые методы производства, структурирования и измерение наноразмерных материалов, поэтому наноплазмоника испытала огромный экспериментальный импульс, ведущий к более глубокому пониманию взаимодействия этих лёгких металлов. Как следствие, оптические свойства металла наночастицы приводят ко многим новым применениям в любом новом или уже существующих областях, такие как фотоэлектрические устройства, приложения нанофотоники, биомедицинские приложения, такие как визуализация, доставка лекарств, фототермическая терапия и терапевтики и, конечно, бимолекулярное зондирование. Напротив, распространение поверхностных плазмонных резонансов (SPRs) было приблизительно полвека, теперь распространение поверхностных плазмонных резонансов (SPRs) предоставляет биодатчикам достаточное количество времени, чтобы позиционировать себя как биосенсорная платформа без маркировки. В наши дни начальный потенциал датчиков поверхностных плазмонных резонансов (SPRs) превзошёл все ожидания, установив эту концепцию восприятия как обычный аналитический инструмент. Сфера его применения широко распространилась благодаря простоте и универсальности. В этом отношении близость и кинетические исследования или простое обнаружение из комплексов встретили систематическое, лёгкое, быстрое, в реальном времени и обычном чувствительным способом, которым будет сделано. Его действительность в качестве упоминания биосенсора отражается количеством публикаций, которые охватывают многие области применения, начиная от экологического контроля, безопасность качества еды и клинической диагностики. Реализация визуализации поверхностного плазмонного резонанса (SPRi) в качестве альтернативы поверхностного плазмонного резонанса на основе подхода, который содействует параллельному анализу, расширяет его использование в фармацевтических исследованиях и общих медицинских исследованиях с использованием высокой пропускной способности, исследования взаимодействия белка-белка и обнаружение лекарств среди других. Кроме того, непрерывный прогресс в физике, инженерии, материаловедении и нанотехнологии позволил улучшить производительность модификаций обычного поверхностного плазмонного резонанса (SPR) и конфигурацию датчиков. Особое значение имеет стремление к улучшению трёх наиболее слабых сторон сенсоров поверхностных плазмонных резонансов (SPR): чувствительность, пропускная способность и потенциал для миниатюризации. С этой целью биосенсоры платформы на основе (LSPR) считаются платформами следующего поколения плазмонных платформ восприятия. Им присуще то, что преимущества по сравнению с обычными (SPR) датчиками сильно заметно: зазоры заполнятся открытыми датчиками (SPR). Судя по экспоненциально возрастающему количеству публикаций по этой теме за последнее десятилетие (см. Фигура 2), не удивительно, что область наноплазмонного зондирования подвергнута большому научному интересу. Пока что большинство усилий было направлено на изготовление и развитие применяемых наноструктур, оценку их физических и оптических свойств и его потенциал для биосенсинга, хотя эта последняя концепция обычно ограничивается точкой зрения.
