diplomová práce

Použití kovových a polovodičových nanostruktur pro biodetekci

Text práce 9.41 MB

Autor práce: Ing. Lukáš Kejík, Ph.D.

Ak. rok: 2014/2015

Vedoucí: prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D.

Oponent: Doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.

Abstrakt:

Diplomová práce se zabývá dvěma způsoby aplikace zlatých diskových nanostruktur vykazujících plazmonové rezonance pro biodetekci. První část se týká detekce změny fáze na plazmonických anténách pomocí koherencí řízeného holografického mikroskopu. Bylo zjištěno, že změna fáze se zvýrazňuje s rostoucí vlnovou délkou osvitu, kdy je buzena plazmonová rezonance na anténách větších rozměrů. Dále byla prokázána citlivost fáze na změnu indexu lomu okolního prostředí, přičemž největší fázová změna nastala pro antény v rezonanci s vlnovou délkou osvitu. Druhá část práce se týká kombinace optické spektroskopie detekující plazmonové rezonance a voltametrie charakterizující elektrochemickou aktivitu. V této části byl pozorován postupný posuv rezonanční vlnové délky v přítomnosti SSC pufru, avšak tento vliv je s časem stále menší. Provedené experimenty také ukázaly nevhodnost užití kyslíkového plazmatu k čištění povrchu vzorku, protože způsobuje oxidaci kovů včetně zlata.

Klíčová slova:

plazmonika, elektrochemie, biosenzor, plazmatické čištění, SSC pufr

Termín obhajoby

22.06.2015

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Fakulta strojního inženýrství

Ústav

Ústav fyzikálního inženýrství

Studijní program

Aplikované vědy v inženýrství (M2A-P)

Studijní obor

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie (M-FIN)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Posudek vedoucího
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D.

Lukáš Kejík si zvolil téma na rozhraní fyziky a biofyziky a jeho práce byla rozdělena do dvou hlavních směrů. Měřil a vyhodnocoval experimenty se změnou fáze na plazmonických strukturách a souběžně připravoval stávající aparaturu pro měření odrazu a průchodu světla na souběžné měření cyklické voltametrie. Velmi dobře zpracoval rešeršní studii. Pracoval svědomitě, podařilo se mu získat velké množství experimentálních dat a díky enormnímu úsilí je všechny zpracovat. Diplomová práce tak ukazuje pouze ty nejvýznamnější. Výborně hodnotím jeho práci s literaturou, prokázal schopnost plánovat experimenty, interpretovat je a také z nich vyvozovat korektní závěry. Výsledná podoba práce a zejména její experimentální část je výsledkem několika společných konzultací, a přes poměrně velký objem prezentovaných dat velmi dobře a systematicky ukazuje výsledky studentovy práce.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
Doc. RNDr. Petr Skládal, CSc.

Velmi kvalitně zpracovaná a rozsáhlá práce, provedená měření s SPR nanoanténami v přítomnosti kapalin jsou nezbytným předpokladem k aplikaci v biosensorech.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Otázky k obhajobě:
  1. Předložená diplomová práce pojednává o využití fázových změn nastávajících na plasmonových anténních nanostrukturách ze zlata pro sledování změn indexu lomu a potenciálně také pro interakce biomolekul. Velmi inovativní je také plánované spojení plasmonového systému s elektrochemickým měřením, zde byla kvalitně zpracována literární rešerše a navržena měřící cela, experimentální testy tohoto úseku ale zatím nebyly uvedeny. Hlavním přínosem práce je myslím ověření, že plasmonové anténní převodníky dlouhodobě studované na VUT jsou použitelné pro měření v přítomnosti vodných roztoků, což je nezbytné pro využití ve spojení s biomolekulami jako budoucí biosensory.
  2. Úvodní část stručně zmiňuje plasmonové nanostruktury, podrobněji je probrána perspektivní kombinace hlavního tématu s elektrochemickým měřením, uvádí se sledování fázových změn pomocí holografického mikroskopu. Následuje popis provedených experimentů, který se přímo prolíná s výsledky a komentáři k nim, včetně diskuse. Byly charakterizovány různé typy čipů lišící se velikostí a hustotou nanoantén.
  3. Co se týká spektroskopických měření, není mi jasný průmět optického vlákna na plochu čipu (obr. 3.3), dle obr. 3.1 je mezi vzorkem a opt. vláknem vřazen objektiv mikroskopu. Např. obr. 3.6, šlo by nějak kvantifikovat kvalitu ("ostrost") rezonance u srovnávaných různě velkých nanostruktur? Bylo by možné porovnat rezonanci dosahovanou u nanoantén s rezonancí u klasického SPR uspořádání? Obr. 3.8 - posun při měření ve světlém resp. temném poli, jaké lze očekávat změny při vzniku adsorbovaných vrstev u DF varianty (tj. funkce biosensoru)?
  4. Trochu překvapivě byly testy prováděny v citrátovém pufru s NaCl, citrátový pufr se přitom u biosensorů pro měření prakticky nepoužívá; i koncentrace 1 M je příliš vysoká a její testování tedy málo přínosné. Plazmové čištění povrchu při měření považuji za příliš drastické, o jeho problematičnosti se nakonec autor sám přesvědčil. Nenašel jsem zmínku o kontrole teploty při měření, to je přitom u SPR celkem klíčový faktor; např. systém Biacore udržuje teplotu na 0.01 oC. Byla nějak kontrolována či alespoň měřena teplota? Toto by mohlo do značné míry vysvětlit pozorované značné fluktuace měření.
  5. Pokud jsem to také správně pochopil, měření v aktivní oblasti a v referenční oblasti neprobíhala současně; i to by mohlo navyšovat fluktuace. Pokud se snímá obraz citlivé oblasti sensoru, mělo by být možné pomocí vhodné SW šablony definovat aktivní a referenční zóny a provádět korekci v reálném čase (např. SPR systémy z UFE ČAV). Také opakované ruční měření spekter by bylo dobré doplnit možností automatického generování např. pozice rezonance SPR křivky jako jednoznačného v čase sledovatelného signálu; pro biosensory přiměřené vzorkování je kolem 1 s. Co se týká návrhu elchem. cely, tak pro referentní elektrodu by byl vhodnější Ag drátek, případně pochloridovaný.

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová