Такие сенсоры содержат призму, одна грань которой покрыта тонкой пленкой золота. Поскольку лазерный свет проходит через призму, он в основном отражается от золота в детектор.
Однако, если свет падает на золото под определенным углом, часть его соединяется с электронами в металле, создавая электромагнитные волны, называемые поверхностными плазмонными поляритонами. Более сильная связь приводит к меньшему отражению света в сторону детектора.
Когда жидкий образец протекает через золотую пленку, он изменяет показатель преломления в этой области и немного меняет угол, под которым свет падает на металл. Это препятствует образованию поляритонов, что означает, что большая часть света отражается в сторону детектора. Изменение угла лазерного луча и контроль интенсивности отраженного света позволяет выявить состав образцов, протекающих по поверхности металла.
Другие исследователи показали, что наночастицы золота могут повысить чувствительность сенсора.
Входящий свет вызывает локальные плазмонные резонансы вокруг наночастиц, которые соприкасаются с поверхностью сенсора, что вызывает большие изменения интенсивности отраженного света. Это делает устройство более чувствительным к углу падения света и, следовательно, способно обнаруживать более низкие концентрации тестируемых химикатов.
Команда Ю рассчитала оптические отклики четырех различных наночастиц золота – диаметром от 40 до 80 нанометров – и определила, что они будут наиболее эффективными, когда они будут находиться на высоте около 5 нанометров над поверхностью золота. Затем исследователи установили различные наночастицы на золотые пленки с помощью серосодержащей молекулы под названием дитиотрейтол, которая обеспечила оптимальный зазор в 5 нанометров.
Расчеты команды показали, что электрическое поле поверхностных плазмон-поляритонов будет в сотни раз больше, если на поверхность будут добавлены 40-нанометровые частицы. «Чем сильнее электрическое поле, тем чувствительнее датчики», – говорит Юй.
Испытания с использованием различных концентраций растворов глицерина и формамида подтвердили, что частицы размером 40 нанометров действительно обеспечивают наибольшее повышение чувствительности. «Предел обнаружения как минимум на три порядка выше, чем у современных коммерческих датчиков SPR», – говорит Ю.
Ю теперь надеется применить это открытие к сверхчувствительным сенсорам, которые могут обнаруживать следы биомаркеров рака.