diplomová práce

Plazmonické biosenzory založené na zvýšené optické transmisi

Text práce 4.31 MB

Autor práce: Ing. Martin Dršata

Ak. rok: 2016/2017

Vedoucí: prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr.

Oponent: doc. Ing. Ivan Richter, Dr.

Abstrakt:

Tato diplomová práce se zabývá rigorózními simulacemi plazmonických biosenzorů založených na jevu zvýšené optické transmise. První část je věnována popisu fyzikálních jevů a poznatků, které tvoří základ pro studium vlastností plazmonických senzorů, a popisu výpočetní metody konečných prvků v časové oblasti, která je využita v této práci. Vlastní výsledky jsou uvedeny v další části, která se zabývá výzkumem citlivosti, rozlišení a dalších charakteristik zvoleného typu plazmonického sensoru, tvořeného sítí kruhových nanoděr v tenké zlaté vrstvě na substrátě nitridu křemíku, v závislosti na řadě jeho geometrických parametrů. Tyto závislosti jsou sledovány ve třech různých případech, a to senzoru umístěného ve vakuu, ponořeného ve vodě a v případě kdy je na zlatém povrchu umístěna tenká dielektrická vrstva, která reprezentuje přítomnost biomolekul uchycených na povrchu senzoru.

Klíčová slova:

metoda konečných diferencí v časové oblasti, zvýšená optická transmise, plazmonické senzory, síť nanoděr

Termín obhajoby

21.6.2017

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaBznamka

Klasifikace

B

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

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. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Diplomová práce se zabývá velmi zajímavým jevem, tzv. zvýšenou optickou transmisí (extraordinary optical transmission, EOT), který lze pozorovat v plazmonických strukturách skládajících se z periodických polí nanodírek. Diplomant se ve své práci zabýval využitím EOT ke konstrukci biosezorů a zejména se soustředil na rigorózní simulace. Během výzkumu byly dosaženy hodnotné výsledky týkající se optimalizace geometrických parametrů senzorů. Nově navržené geometrie vykazují zlepšené detekční parametry (např. citlivost). Tyto výsledky Bc. Dršata dobře dokumentoval a byly i základem společné publikace. Ze svého hlediska bych však uvítal přehlednější úvodní část práce, shrnující současný stav poznání v oblasti plazmonických biosenzorů a jevu EOT (namísto kapitol shrnujících metodu FDTD a obecné vlastnosti plazmonických vln), a snad i podrobnější fyzikální diskuzi dosažených výsledků. Na druhé straně ale velmi kladně hodnotím aktivní a samostatný přístup Bc. Dršaty při naší spolupráci na řešení dané problematiky.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené 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 B
Práce s literaturou včetně citací C
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Známka navržená vedoucím: B

1. Splnění požadavků a cílů zadání - B
Porovnáním cílů zadání a vlastního textu práce lze konstatovat, že cíle diplomové práce byly splněny,
větší prostor měl ale být v práci věnován rešeršní studii zaměřené na využití mimořádné optické
transmise (EOT) ve vazbě na biosenzory.
2. Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod - B
Zvolený postup pro získání výsledků diplomové práce odpovídá současnému stavu poznání. Větší
pozornost měla být (dle zadání) věnována porovnání a volbě zvoleného typu senzorové struktury
(porovnání materiálů, porovnání různých geometrických uspořádání). Co se týče adekvátnosti použitých
metod, ve vztahu k cílům práce, volba numerické FDTD simulační metody se jeví jako vhodná a efektivní
volba.
3. Vlastní přínos a originalita - A
Téma předložené práce diplomanta je zaměřeno na fyzikální rozbor, analýzu a numerické modelování
interakce elektromagnetické vlny na EOT strukturách, spolu se studiem vlivu parametrů na senzorickou
odezvu struktur. Po prostudování textu lze konstatovat, že vlastní práce je přínosná a přináší nové
poznatky, o tomto svědčí i spoluautorství diplomanta na odborném článku (prestižní odborný časopis
Plasmonics).
4. Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry - C
Získané výsledky jsou představeny v názorné a přehledné podobě, snaha o diskuzi a interpretaci
výsledků je však až příliš stručná (zřejmě z nedostatku času při odevzdání práce).
5. Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii - A
O další využitelnosti získaných výsledků není pochyb. Získané simulace přispějí k dalšímu rozvoji
problematiky EOT jak na domácí, tak i (díky časopisecké publikaci) mezinárodní úrovni.
6. Logické uspořádání práce a formální náležitosti - C
Posuzovaná práce je středního rozsahu, má celkem 58 stran a 29 obrázků, odkazů na literaturu je 68.
Práce je členěna do osmi hlavních kapitol, spolu s úvodem do problematiky, závěrem, přehledem
literatury a seznamem použitých symbolů a zkratek. První kapitola diskutuje základy elektromagnetismu
kovů, včetně jejich dispersních vlastností. Kapitola 2 následně shrnuje základy šířívých i lokalizovaných
povrchových plazmonů. Třetí kapitola se již věnuje problematice optických biosenzorů s využitím jevu
mimořádné optické transmise (EOT). EOT jev je nejprve diskutován, následně je představena citlivost
EOT struktur (pole nanoděr) pro možné využití v senzorech; je diskutována citlivost a rozlišení
takovýchto struktur. V této části však postrádám jak obecnější úvod do problematiky plazmonických
(bio)senzorů, tak i současný stav poznání EOT efektu. Ve 4. kapitola je pozornost věnována metodě
konečných diferencí v časové doméně (FDTD), spolu s požadavky na konvergenci metody, stabilitu a
okrajové podmínky. Pátá kapitola se již věnuje vlastním výsledkům simulací vlastností EOT struktur a
vlivu jednotlivých parametrů (poloměr děr, tloušťky vrstev, periodicity struktury). Kapitola je zakončena
porovnáním transmisí u objemové a povrchové senzorové struktury. V této části bych uvítal více
srovnání s další literaturou a také snahu o porovnání (pokud takové existuje) s výsledky dalších modelů,
ať již kvazianalytických nebo numerických (založených např. na jiných metodách), viz dotazy níže. Práce
je zakončena závěrem (6. kapitola), seznamem použitých symbolů a zkratek a přehledem použité
literatury.
7. Grafická, stylistická úprava a pravopis - B
Po formální stránce je práce zpracována na dnes již standardní, pěkné grafické úrovni. Formální chyby
nejsou časté a jsou drobnějšího charakteru, využití obrázků a grafů je adekvátní. Práce je psána pěkným
anglickým jazykem s malým množstvím prohřešků, pokud mohu posoudit. Pokud se týká terminologie a
správnosti definic a zavedení veličin, nenašel jsem žádné problematické či nesprávné použití. Zmínil
bych snad jen FOM (figure of merite), který bývá v literatuře kromě uvedené definice používán i ve formě
vynásobené též výškou rezonance. Pro praktické aspekty je pak vhodné uvažovat též detekční limit (limit
of detection).
8. Práce s literaturou včetně citací - C
Práce obsahuje celkem 68 odkazů na literaturu. Jedná se vesměs o relevantní a kvalitní odkazy na
literaturu v oboru. Jejich zápisu však měla být věnována daleko větší pozornost – řada odkazů je
bibliograficky neúplných (včetně chybějících časopisů, nakladatelství, atd.). Vůči sobě jsou navíc citace
zapsány nejednotným způsobem, s řadou formálních prohřešků. Toto snižuje celkový dojem
z předložené práce.
Celkové hodnocení diplomové práce:
Předloženou diplomovou práci doporučuji k obhajobě.
Celkové hodnocení: C
Celkové slovní hodnocení:
Předloženou diplomovou práci je možno hodnotit jako zdařilou a z odborného hlediska jako kvalitní,
předpokládám uspokojivé zodpovězení vybraných dotazů a připomínek. Stanovené cíle práce byly
splněny. Práce přináší nové poznatky, je přínosná jak pro vlastní pochopení studovaných jevů, tak
svými výsledky i pro další využití. Závěrem mohu prohlásit, že předložená diplomová práce splňuje
dle mého názoru všechny požadavky na tyto práce kladené příslušnými předpisy. Práci proto
doporučuji k obhajobě a po zodpovězení dotazů ji hodnotím známkou C (dobře).
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací C

Známka navržená oponentem: C