WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 

«Ю.А. ФРОЛОВ, П.Б. ШПИЛЕВОЙ РЕАЛИЗАЦИЯ ВОЛНОВОДНЫХ СЕНСОРОВ НА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУРАХ НАНОПОРИСТЫЙ АНОДНЫЙ ОКСИД АЛЮМИНИЯ – АЛЮМИНИЙ T. Lebyedyeva, Yu. Minov, P. Sutkoviy, Yu. Frolov, Введение. ...»

УДК 535.016

Т.С. ЛЕБЕДЕВА, Ю.Д. МИНОВ, П.И. СУТКОВОЙ,

Ю.А. ФРОЛОВ, П.Б. ШПИЛЕВОЙ

РЕАЛИЗАЦИЯ ВОЛНОВОДНЫХ

СЕНСОРОВ НА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ

СТРУКТУРАХ НАНОПОРИСТЫЙ

АНОДНЫЙ ОКСИД АЛЮМИНИЯ –

АЛЮМИНИЙ

T. Lebyedyeva, Yu. Minov, P. Sutkoviy, Yu. Frolov, Введение. Разработка высокочувствительP. Shpylovyy ных сенсоров с нанопористыми покрытиями в настоящее время – это важная задача для

DEVELOPMENT OF

медицинской диагностики, мониторинга окWAVEGUIDE SENSORS BASING

ON THE THIN-FILM

ружающей среды, изучения биомолекулярSTRUCTURES OF NANOPOROUS ных взаимодействий и пр. Разрабатываются

ANODIC ALUMINA – ALUMINA

импедансные, емкостные, акустические, оптические и другие сенсоры и биосенсоры .

The developed thin-films technology Среди оптических сенсоров особый интерес of optical waveguide sensors basing вызывают устройства на поверхностном on porous anodic alumina is presented. Their applicability for the плазмонном резонансе (ППР), волноводные biosensing is shown .

сенсоры, в том числе волноводные сенсоры Key words: optical sensors, nanoна металлическом подслое (ВСМП) [1–4], structures, porous alumina .

которые могут быть реализованы на сдвиге Створено технологію тонкоплів- минимума кривой отражения по углу падекових оптичних сенсорів на основі ния света или по длине волны, отражающем поруватого анодного оксиду алюизменения в слое молекул на сенсорной помінію. Показана можливість її верхности .



застосування у біосенсориці .

Одним из путей увеличения чувствительКлючові слова: оптичні сенсори, ности сенсоров является применение нанонаноструктури, поруватий оксид алюмінію. пористых материалов для покрытий, контактирующих с исследуемой средой, в частноНа основе пористого анодного сти пористого анодного оксида алюминия окисла алюминия создана техно

–  –  –

Интенсивно разрабатываются сенсорные покрытия из пористых анодных оксидов, формируемых путем электрохимического окисления на поверхности металлов, в частности пористого анодного оксида алюминия [1]. Достоинства ПАОА – простота и дешевизна его получения, возможность формирования массивов однородных пор в диапазоне диаметров от единиц до сотен нанометров .

Кроме того, ПАОА имеет ряд химических, механических, электрических и оптических характеристик, важных для сенсорных применений, включая высокую твердость, термическую стабильность, химическую устойчивость в средах с биологической совместимостью, что особенно существенно для биосенсорики .

Сенсорные устройства на ПАОА (рис. 1) могут быть использованы в качестве химических сенсоров и биосенсоров в широчайшем ряде анализов на наличие молекул газов, органических молекул, биомолекул (ДНК, протеинов, антител) и клеточном анализе (вирусов, бактерий, раковых клеток и маркеров) в газовых, водных и биологических средах .

РИС. 1. ВСМП с нанопористым сенсорным покрытием в качестве волноводного слоя и схематическое представление сенсорного устройства Именно толщина и структура пленки анодного оксида определяют чувствительность сенсоров, а также вид резонансных кривых и конструктивные особенности сенсорных устройств [1–4] .



Проведенные нами ранее работы по компьютерному моделированию характеристик оптических сенсоров на основе многослойных тонкопленочных структур показали безусловную перспективность биосенсорных применений ВСМП с нанопористым сенсорным слоем [4, 5]. Результаты моделирования хорошо совпадают с экспериментальными данными, полученными при проведении тестовых иммунохимических реакций на наноструктурированных ВСМП [3] .

Отработка технологии наноструктурированных покрытий алюминийпористый анодный оксид алюминия .

Нами разработана тонкопленочная технология ВСМП с наноструктурированным ПАОА для сенсорных применений. Она включает следующие этапы:

Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2015, № 14 61 Т.С. ЛЕБЕДЕВА, Ю.Д. МИНОВ, П.И. СУТКОВОЙ, Ю.А. ФРОЛОВ, П.Б. ШПИЛЕВОЙ

- вакуумное осаждение пленок алюминия на пластины из стекла оптической полировки;

- частичное одностадийное анодное окисление пленки алюминия для формирования ПАОА для волноводного слоя и полупрозрачной пленки алюминия для металлического подслоя, заводящего свет в волноводную пленку;

- химическое травление для расширения пор ПАОА; для получения покрытий с нанопленками или наночастицами металла – термическое напыление золота нанометровой толщины .

Формирование пленок алюминия производится путем магнетронного распыления на постоянном токе мишени алюминия чистотой 99,999 %. В качестве адгезионного слоя на стекло осаждается тонкий (1–2 нм) слой ниобия .

Анодное окисление и химическое травление проводится на специально разработанном компьютеризованном стенде, в состав которого входят источники питания, обеспечивающие режимы окисления, прибор для контроля угловых зависимостей кривых отражения R() и двухэлектродная электрохимическая ячейка, которая может служить и измерительной ячейкой при выполнении рефрактометрических и биосенсорных исследований на приборе «Плазмонотест» .

Программное обеспечение стенда дает возможность все процессы управления и контроля осуществлять в едином окне (рис. 2) .

РИС. 2. Общее окно для одновременного контроля анодного окисления и регистрации оптических характеристик сенсорных подложек в процессе изготовления

Это окно объединяет две независимые программы:

1. Программа «ПлазмонТ», предназначенная для получения данных от прибора «Плазмонтест», проведения измерений интенсивности отраженного света в заданном диапазоне углов, расчета положения минимума интенсивности путем Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2015, № 14

РЕАЛИЗАЦИЯ ВОЛНОВОДНЫХ СЕНСОРОВ НА ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУРАХ …

интерполяции [6], а также для построения сенсограмм углового положения минимума и значения интенсивности при заданном угле .

2. Программа «Анод», предназначенная для работы со стендом для анодного окисления, задания и отображения информации о текущем режиме работы – значениях тока I(t), напряжения U(t), их производных dU/dt(t) и dI/dt(t) .





Обе программы могут функционировать независимо друг от друга. Также предусмотрен режим их синхронной работы, при котором программа «Анод»

запускается из программы «ПлазмонТ», после чего синхронизирует с ней запись данных, а также передает в нее в реальном времени информацию об изменении режима работы .

Использование стенда в комплекте с универсальной электрохимической ячейкой дает возможность одновременного контроля процесса анодного окисления при изготовлении сенсорных подложек и контроля кривых отражения при анодном окислении и химическом травлении; возможность оперативной остановки этих процессов при достижении заданных характеристик изготавливаемых подложек, а также возможность проведения рефрактометрических и биосенсорных исследований без удаления сенсорной подложки из ячейки .

Данные по исследованию кинетики анодирования при сквозном анодировании пленок алюминия толщиной 250 нм на стекле с формированием ПАОА приведены на рис. 3. На рисунке показаны стадии формирования тонкопленочной структуры ПАОА/Al. Формирование ПАОА производили в двухэлектродной электрохимической ячейке со стабилизацией температуры и перемешиванием электролита, в 0,3M растворе щавелевой кислоты .

а б РИС. 3. Кинетические зависимости при формировании ПАОА; а – потенциостатический режим; б – гальваностатический режим Разработка и внедрение описанного выше контроля характеристик изготавливаемых сенсорных подложек in-situ – это важная особенность разработанной технологии, поскольку именно обеспечение нужной толщины алюминиевого подслоя толщиной 10 – 25 нм является ключевым моментом изготовления ВСМП. Методика контроля R() осуществляется следующим образом: на образец (пленка Al на стекле), размещенный на призме прибора «Плазмонтест», обеспечивающего контроль кривых отражения в диапазоне 55 70 градусов, Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2015, № 14 63 Т.С. ЛЕБЕДЕВА, Ю.Д. МИНОВ, П.И. СУТКОВОЙ, Ю.А. ФРОЛОВ, П.Б. ШПИЛЕВОЙ устанавливается специально разработанная прижимная ячейка для проведения анодирования и травления. Анодное окисление (формирование ПАОА из части пленки Al) и травление контролируется с помощью компьютеризованного стенда. После достижения фронтом окисления толщины алюминия, обеспечивающей прохождение света в волноводный слой можно контролировать кривую отражения и по достижению ею нужного вида остановить процесс анодирования .

Результаты исследований кривых отражения для анодного окисления при постоянном напряжении 40 В показаны на рис. 4, а. Кривая 1 соответствует появлению минимума на кривой полного внутреннего отражения, свидетельствующего о том, что пленка алюминия стала частично прозрачной, толщина уже сформированного ПАОА такова, что волноводный минимум проявляется при угле около 61 градуса, лежащем в рабочей области прибора «Плазмонтест» .

Растравливание пор проводили в 5 % водном растворе ортофосфорной кислоты при комнатной температуре. Изменение положения волноводного минимума при растравливании пор в течение 30 минут показано на рис. 4, б .

–  –  –

Из рисунка видно, что по мере растравливания пористого анодного оксида (увеличения его пористости с одновременным уменьшением толщины пористого слоя и барьерного слоя) происходит сдвиг угла волноводного минимума в сторону меньших углов в силу уменьшения оптического пути света в волноводном слое. Сенсограмма формирования ВСМП показана на рис. 4, в .

На рис. 5 показаны результаты исследования с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) образца, сформированного при напряжении 40 В (рис. 5, а) и того же образца, растравленного а течение 30 минут в 5 % водном растворе ортофосфорной кислоты при 18 о С и постоянном перемешивании (рис. 5, б) .

–  –  –

СЭМ снимок поверхности ВСМП (рис. 5, б) показывает высокую пористость образца, наличие сквозных пор, канавок по границам зерен алюминия, а также присутствие некоторого число зерен алюминия, выступающих над поверхностью. Эти результаты находятся в согласии с данными других исследователей [8, 9] и отражают влияние исходной структуры пленок алюминия на структуру ПАОА .

Проведение биосенсорных исследований на ВСМП с наноструктурированными покрытиями из ПАОА .

ВСМП Al–ПАОА–Au были использованы при исследовании новых рекомбинантных иммунореагентов, разработанных для биосенсорной иммунодиагностики в Институте молекулярной биологии и генетики НАНУ, в частности, рекомбинантного аналога поверхностного белка Staphylococcus aureus (белок SPA) в составе гибридного белка SPA-Cys, полученного присоединением к С-концу последовательности SPA (His)6 афинной метки и дополнительного остатка цистамина .

Для эффективной иммобилизации SPA наноструктурированная поверхность ПАОА покрывалась слоем золота толщиной около 10 нанометров путем термического напыления в вакуумной камере. ВСМП формировали анодным окислением пленки алюминия толщиной 270 нм в 3 % щавелевой кислоте при напряжении 30 В с расширением пор травлением в 5 % ортофосфорной кислоте и последующим вакуумным осаждением золота. Фотографии СЭМ образцов ПАОАAu показаны на рис. 6 а, б. Представленные данные показывают, что поры ПАОА располагаются параллельно, перпендикулярно к поверхности, барьерный слой оксида алюминия при данных режимах изготовления сохраняется. Упорядоченности в расположении пор, полученных на поликристаллической пленке алюминия, не наблюдается. Пленка золота, отслоившаяся от поверхности ПАОА при получении скола, является перфорированной в местах расположения пор .

–  –  –

Проведение иммунохимических исследований показало, что SPA-Cys эффективно иммобилизуется на золотой сенсорной поверхности и на наноструктурированной поверхности ПАОА с тонким слоем золота, сохраняя при этом связывательные свойства по отношению к иммуноглобулину человека (рис. 7) [10] .

Полученные данные показывают, что чувствительность данного иммуносенсора на ВСМП не ниже получаемой методом ППР [7] .

Для повышения чувствительности биосенсоров на ПАОА необходима оптимизация геометрии пористого слоя, которая может быть достигнута вариацией толщины и размера пор ПАОА, а также специальная разработка методик предварительной подготовки поверхности сенсорного покрытия и проведения для конкретных видов биосенсорных анализов [11] .

РИС. 7. Сенсограмма иммунохимической реакции SPA – IgG на Al – ПАОА – Au; 1 – PBS, 2 – 1 мкM белка SPA-Cys, 3 – промывка PBS, 4 – 0,5 мг/мл белка Milk для заполнения свободной поверхности, 5 – промывка PBS, 6 – 20 мкг/мл IgG hum, 7 – промывка PBS Выводы. Представленная тонкопленочная технология, включающая процессы магнетронного осаждения пленок ниобия и алюминия, частичного одно

–  –  –

стадийного анодного окисления пленки алюминия с последующим расширением пор путем химического травления позволяет реализовать волноводные сенсоры с металлическим подслоем нанопористый ПАОА – алюминий для практических применений в биосенсорике. Положительной особенностью технологии является контроль оптических характеристик изготавливаемых ВСМП непосредственно в процессе анодного окисления и травления .

Реализация волноводных сенсоров с металлическим подслоем нанопористый ПАОА – алюминий показала, что они могут быть альтернативой ППР сенсорам на пленках золота .

Наноструктурированные покрытия из пористых анодных оксидов, изготовленные по данной технологии, могут быть использованы для повышения чувствительности уже существующих, а также создания совершенно новых видов сенсоров для функционирования в газовых, водных и биологических средах .

Работа проведена в рамках Государственной целевой научно-технической программы «Нанотехнологии и наноматериалы» на 2010–2014 гг .

1. Yamaguchi A., Hotta K., Teramae N. Optical Waveguide Sensor Based on a Porous Anodic Alumina/Aluminum Multilayer Film // Anal. Chem.– 2009.– N 81.– P. 105–111 .

Войтович И.Д., Лебедева Т.С., Шпилевой П.Б. и др. Оптические биосенсоры на многослойных тонкопленочных структурах // Электроника и связь. – 2010. – № 2. – C. 174–179 .

3. Войтович И.Д., Лебедева Т.С., Шпилевой П.Б. и др. Покрытия из нанопористого анодного оксида алюминия для сенсорных применений // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2014. – Т. 12, № 1. – С. 169–180 .

Бєднов М.В., Лебєдєва Т.С., Шпильовий П.Б. Моделювання оптичних сенсорів з наноструктурованими покриттями // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. – 2014.– № 13. – С. 23–32 .

5. Biednov M., Lebyedyeva T., Spylovyy P. Gold and Aluminum based surface Plasmon resonance biosensors: sensitivity enhancement // http://spie.org/optics-optoelectronics.xml

6. Lebyedyeva T.S., Shpylovyy P.B. et.al. Modelling and Data Processing for Thin-Film Optical Sensors // Proc. of 6-th IEEE Intern. Conf. on Intelligent Data Acquisition and Advance Computing System: Technology and Application. – Praga, 2011. – Vol. 1. – P. 119 – 124 .

7. Огороднійчук Ю.О., Лебєдєва Т.С., Шпильовий П.Б. та ін. Оптичний імунний біосенсор «Plasmonotest» для визначення Salmonella typhimurium // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. – 2013. – № 1. – С. 106–113 .

8. Es-Souni M., Habouti S. Ordered nanomaterial thin films via supported anodized alumina templates // Front. Mater. – 2014. – 1. – P. 1–9 .

9. Feil A.F., da Costa M.V. et al. The influence of aluminum grain size on alumina nanoporous structure // Jour. Appl. Phys. – 2010. – N 107. – P. 026103-1 – 026103-3 .

10. Voitovich I.D., Lebyedyeva T.S., Rachkov O.E. et al. Anodic Alumina-Based Nanoporous Coatings for Sensory Applications // Springer Proc. In Phys. 167. Nanoplasmonics, NanoOptics, Nanocomposites, and Surface Studies. Selected Proc. Of the Second FP& Conf. And the Third Int. Summer School Nanotechnology: From Fundamential Research to Innovations, Aug. 23-30. – 2014. – Yaremche-Lviv, Ukraine. – P. 423–431 .

11. Kumeria T., Santos A., Losic D. Nanoporous Anodic Alumina Platforms: Engineered Surface Chemistry and Structure for Optical Sensing Applications // Sensors. – 2014. – V. 14, N 7. – P. 11878–11918 .

Получено 17.09.2015

–  –  –






Похожие работы:

«51.204.9 Б95 РЕЦЕНЗЕНТЫ: директор Института клинической и экспериментальной медицины Сибирского отделения Академии медицинских наук СССР академик АМН СССР В. П. Казначеев, зав. отделением Института геронтологии АМН СССР профессор О. В. Коркушко Быч...»

«213 Вестник СамГУ — Естественнонаучная серия. 2006. №9(49). УДК 116.33/34-089 БЛИЖАЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ХИРУРГИЧЕСКОГО ЛЕЧЕНИЯ ПАЦИЕНТОВ С ПРОБОДНОЙ ЯЗВОЙ ЖЕЛУДКА И ДВЕНАДЦАТИПЕРСТНОЙ КИШКИ МЕТОДОМ ТАМПОНАДЫ САЛЬНИКОМ ПО ПОЛИКАРПОВУ А.В....»

«УДК 616.328-006:001.4 Ф.Д. ЕВЧЕВ, М.А. ЗАЙЦЕВА ОБОСНОВАННОСТЬ ТЕРМИНОЛОГИИ: ОПУХОЛИ ФАРИНГО-ПАРАФАРИНГЕАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ Одес. нац. мед. ун-т (ректор – акад. В.Н . Запорожан) Публикация является фрагментом описывают как глоточные [15, 20], хирурги плановой научно-исследовательской работы и онкологи...»

«287 INTERNAL DISEASES УДК 616.127–005.8:379–008.64–07 Оригинальная статья КЛИНИЧЕСКИЕ И ИММУНОВОСПАЛИТЕЛЬНЫЕ АСПЕКТЫ ТЕЧЕНИЯ ИНФАРКТА МИОКАРДА, АССОЦИИРОВАННОГО C САХАРНЫМ ДИАБЕТОМ, НА ГОСПИТАЛЬНОМ ЭТАПЕ Е. А. Скородумова — ГБУ "Санкт-Петербургский научно-иссле...»

«УДК 611.12-018+611.4:616-003.93 ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ МИОКАРДА Белобородова Алена Валерьевна студентка Крымской медицинской академии имени С. И. Георгиевского ФГАОУВО "Крымский федеральный университет им. В. И. Вернадского", г. Симферополь. E-mail: alenabeloborod@gmail.com Василенко Светл...»

«ИНСТРУКЦИЯ ПО МЕДИЦИНСКОМУ ПРИМЕНЕНИЮ ЛЕКАРСТВЕННОГО ПРЕПАРАТА Азаран Торговое наименование препарата: Азаран Международное непатентованное наименование: цефтриаксон Лекарственная форма: порошок для приготовления раствора для внутривенного и внутримышечного введения. Состав Один флакон содержит: Действующее вещество: цефтриа...»

«21 “ Ві с н и к с т ом ат о л ог і ї ”, № 4, 2 01 6 УДК:616.724 – 002.2 – 08 arthritis of the temporomandibular joint that occured as a result of disoder in occlusive interrelations of upper and lower jaw К. А. Семе...»




 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.