БИФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАНОПЛЕНОК
BIFUNCTIONAL ACOUSTOOPTICAL SENSOR FOR PHYSICAL-CHEMICAL AND MEDICAL-BIOLOGICAL RESEARCH OF NANOFILMS

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, в частности к микроэлектронным датчикам - химическим и биосенсорам, предназначенным для одновременных акустических и оптических исследований физико-химических и (или) медико-биологических свойств тонких порядка 0.1 мкм (100 нм) нанопленок.
Микроэлектронные датчики - сенсоры, с помощью которых возможно проведение одновременных измерений двух и более физических параметров одного и того же микрообъекта в одном физико-химическом и (или) биологическом процессе, в последнее время получили специальное название - «лаборатория в чипе» (Lab on Chip). Особенностью этих измерительных микроячеек является то, что они выполнены с помощью технологий микро- и наноэлектроники, в частности микро- и нанооптоэлектроники. В качестве объектов исследований выступают тонкие нанопленки, мульти- и монослои искуственного (полимеры, диэлектрики, полупроводники) и естественного происхождения (природные полимеры, белки, сахара, ферменты). Исследования проводятся на уровне распознования отдельных неправильных мутаций на фоне правильных [Th. М.A.Gronewold, A. Baumgartner, Е. Quandt, М. Mamulok. Discrimination of Single Mutations in Cancer-Related Gene Fragments with a Surface Acoustic Wave Sensor // Anal. Chem. 2006. V.78. №14. P.4865-4871]. Для исследования структуры воды, связанной молекулой белка, была применена измерительная ячейка сенсорного типа, в которой одновременно проводились измерения методами кварцевого микровзвешивания (QCM) и двумя оптическими методами: эллипсометрией и поверхностным плазмонным резонансом (SPR) [Hook F., Kasemo В., Nylander Т. et al. Variation in coupled water, viscoelastic properties, and film thickness of a mefp-1 protein film during adsorption and cross-linking: a QCM with dissipation monitoring, ellipsometry, and surface plasmon resonance study // Anal. Chem. 2001. V.73. №24. P.5796-5804]. Для исследований нанопленок термочувствительного полимера поли-(N-изопропилакриламида) была применена комбинация поверхностно-акустической волны (SAW) и SPR, которая позволила очень точно проконтролировать изменения вязкости, плотности и толщины пленок в температурном интервале 20-45°С [Francis L., Friedt J-M., Zhou С., Bertrand P. In situ evaluation of density, viscosity, and thickness of adsorbed soft layers by combined surface acoustic wave and surface plasmon resonance // Anal. Chem. 2006. V.78. №12. P.4200-4209].
С одной стороны Lab on Chip используются для чисто исследовательских целей (Research), т.к. обладают комплексом свойств, недоступных для обычных приборов и измерительных макроячеек. С другой стороны, разрабатываются (Development) так называемые медико-биологические картриджы, предназначенные для проведения массовых анализов жидкостей и тканей человека и животных с целями: 1) ранней диагностики раковых и других заболеваний и 2) контроля хода медикаментозного лечения. В мире уже существует отрасль наноиндустрии, которая производит такие измерительные ячейки, комплектующие к ним и приборы на их основе обоих вышеуказанных типов (R&D). Лидеры: в Европе: Швейцария, Германия, Швеция, Дания, Нидерланды, Англия; В Азии: Япония, Тайвань. В Америке: США, Канада, Бразилия. В России к настоящему времени эта часть наноиндустрии практически отсутствует. Отдельные разработки имеются в МГУ, Зеленограде, Пущино (Московская обл.), Санкт-Петербурге (ФТИ им. Иоффе, Институт физиологии РАН), Екатеринбурге и в СО РАН (г.Новосибирск).
Применение таких измерительных микроячеек по сравнению с традиционными приборами для физических и физико-химических (медико-биологических) исследований имеет ряд преимуществ: 1. возможность работать с микро- и нанообразцами в виде нанопленок и микрообъемов жидкостей; 2. чаще всего, отсутствие предварительной пробоподготовки; 3. очень малое время однократного анализа (анализа одной пробы), что дает решающее преимущество в производительности анализов в единицу времени; 4. портативность; 5. малые энергопотребление и материалоемкость; 6. изготовление мультисенсора и основных конструктивных узлов прибора на его основе с помощью технологий микроэлектроники дает еще одно преимущество - относительную дешевизну, 7. высокая степень автоматизации анализа не требует высококвалифицированного оператора; 8. если в сенсоре используется один из типов поверхностной акустической волны, то имеется возможность исполнения в дистанционном беспроводном варианте с передачей аналитического сигнала в радиочастотном диапазоне от нескольких сот МГц до 2-3 ГГц на расстояния от нескольких метров до нескольких сотен метров [Benes Е., Groschl. М., Seifert F., Pohl A. Comparison between В AW and SAW sensor principles // 1997 IEEE International Frequency Control Symposium. P.5-20].
Впервые химический сенсор на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) был предложен в качестве гравиметрического сенсора для исследований сорбции газов - паров органических веществ тонкими пленками полимеров в 1997 году [Liron Z., Kaushansky N., Frishman G., Kaplan D., Greenblatt J. The Polymer-coated SAW sensor as a gravimetric sensor // Anal. Chem. 1997. V.69. №14. P.2848-2854]. Уже в этой работе, в которой результаты измерений сорбции с помощью традиционной измерительной ячейки в приборе Thermogravimetric analyser фирмы Perkin Elmer - TGA-7 сравнивались с результатами измерений сорбции с помощью ПАВ-химического сенсора, было показано, что, во-первых, чувствительность измерений количества сорбированного вещества из паровой фазы выше в случае ПАВ-сенсора, а во-вторых, ПАВ-сенсор значительно превосходит термогравиметрический прибор по информативности: если последний выдает данные только по изменению массы пленки в результате сорбции, то ПАВ-сенсор позволяет получать данные не только по изменению массы пленки, а и по изменению вязко-эластических констант полимерной пленки, наступающих в результате сорбции. В этой работе в качестве ПАВ-сенсора была применена широизвестная конструкция "линия задержки на ПАВ" с резонансной частотой 104 МГц; как обычно, исследуемые пленки полимеров наносились на поверхность монокристалла кварца в пространство между встречно-штырьевыми преобразователями (ВШП).
В 1999 году была опубликована работа, в которой описана измерительная ячейка - химический мультисенсор, представляющая собой монокристалл пьезоэлектрика - кварца, на поверхности которого сформировано пять линий задержки на ПАВ, в которых в пространстве между ВШП нанесены тончайшие порядка 50 нм пленки золота, на которые наносятся исследуемые пленки; в объеме монокристалла проделан канал, который имеет вход и выход на одной из торцовых граней кристалла, т.е. монокристалл пьезоэлектрика использован в качестве жидкостного термостата для задания и поддержания температуры исследуемых образцов пленок. [Hierlemann A., Ricco A.J., Bodenhofer К., Gopel W. Effective use of molecular recognition in gas sensing: results from acoustic wave and in situ FT-IR measurements // Analitycal Chemistry. 1999. V.71. №15. P.3022-3035. Международный журнал, издаваемый Американским химическим обществом (ACS)]. В этой работе сенсор применен для исследований процесса сорбции газов и паров органических соединений тонкими нанопленками различных полимеров, природных и модифицированных природных полимеров, поликристаллических пленок макрогетероциклических соединений, хелатных комплексов металлов. В отличие от предыдущей цитированной работы, в данной работе кроме измерений ПАВ-частоты образцов в процессе сорбции проводились измерения инфракрасных спектров с фурье преобразованием (FT-IR) пленок в отражательно-поглащательном режиме, при котором тонкий пучок ИК-света падает на поверхность исследуемой пленки под некоторым углом, проходит пленку, падает на поверхность раздела исследуемая пленка/пленка золота, отражается от поверхности пленки золота, проходит исследуемую пленку еще раз и выходит на поверхность раздела исследуемая пленка/атмосфера, направляясь на фотоприемник. Таким образом, синхронно (одновременно) были получены из измерений на ПАВ изотермы сорбции, а из FT-IR - данные по тем молекулярным группам, которые вступали во взаимодействие с молекулами газов адсорбатов. Эти молекулярные группы и являются центрами сорбции. Далее, те же авторы применили описанный выше сенсор для исследований сорбции паров органических соединений пленками полимеров силоксанового ряда, получив изотермы сорбции в интервале температур от 0 до 70°С через 10°С. Из полученных данных были рассчитаны все термодинамические параметры сорбции: энергия Гиббса, энтальпия и энтропия [Hierlemann А., Ricco A.J., Bodenhofer К., Dominik A., Gopel W. Conferring selectivity to chemical sensors via polymer side-chain selection: thermodynamics of vapor sorption by a set of polysiloxanes on thickness-shear mode resonators // Analitycal Chemistry. 2000. V.72. №16. P.3696-3708].
Описанная выше конструкция бифункционального акусто-оптического химического сенсора (устройства) наиболее близка к предлагаемому изобретению по назначению и технической сущности, поэтому она выбрана в качестве прототипа и в дальнейшем будет называться известным устройством. Недостатками известного устройства, предназначенного для физико-химических и (или) медико-биологических исследований нанопленок веществ, в частности исследований процесса сорбции газов и паров нанопленками веществ, являются следующие: 1) низкая чувствительность ИК-спектров, связанная с малыми значениями коэффициентов поглощения в ИК-области веществ, которая не позволяет получать количественные характеристики процесса сорбции газов и паров нанопленками в области малых концентраций (малых парциальных давлений) последних, по сравнению с чувствительностью измерений на ПАВ; 2) низкая чувствительность ИК-спектров, связанная с применением измерений только в однократно поглощательно-отражательном режиме, при котором пучок света проходит исследуемую пленку всего два раза по толщине; 3) высокая стоимость конструкции, связанная с исключительной сложностью изготовления конденсаторных каналов в монокристалле пьезоэлектрика, который используется в качестве жидкостного термостата; 4) недостаточно высокая точность задания температуры в жидкостном термостате, которая ограничивается точностью 0.02°С; 5) невозможность получения термодинамических данных сорбции из оптических ИК-измерений, что не позволяет выделить вклады в термодинамические параметры, обусловленные физической сорбцией и хемосорбцией; 6) технологические сложности и дороговизна исполнения сенсора, которая не позволяет перейти от лабораторного варианта к промышленному массовому выпуску сенсоров в виде картриджей и (или) приборов на их основе, предназначенных для массового использования в физико-химических и медико-биологических применениях не только в исследовательских лабораториях, а и в лабораториях больничных и фармацевтических предприятий. Последнее явилось причиной того, что авторы известного устройства не запатентовали его, а опубликовали его конструкцию в научном журнале.
Цель предлагаемого изобретения - разработать устройство - бифункциональный акустооптический сенсор, его конструкцию, в котором 1) чувствительность оптических измерений будет близка к (или даже сравнима с) чувствительности(ью) акустических измерений, что позволит получать данные синхронных акустических и оптических измерений в области положительных температур, по которым, в частности, можно будет построить изотермы сорбции, включая область малых концентраций газов (паров), рассчитать все термодинамические параметры процесса сорбции, сравнить данные, рассчитанные из обоих видов измерений, и выделить вклады в термодинамические параметры, обусловленные физической сорбцией и хемосорбцией; 2) будет с одной стороны, упрощена конструкция нагревательного элемента, а с другой стороны, повышена точность задания и поддержания рабочей температуры пленочных образцов; 3) вытекающая из второго возможность изготовления относительно дешевого сенсора по массовой технологии микро- и наноэлектроники.
Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются: 1) обеспечить повышение чувствительности оптических измерений до уровня, близкого к чувствительности акустических измерений; 2) обеспечить упрощение конструкции нагревательного элемента с одновременным повышением точности задания и поддержания температуры нанопленочных образцов; 3) обеспечить возможность одновременного проведения акустических на ПАВ и не менее чувствительных оптических измерений нанопленочных образцов в одном эксперименте; 4) обеспечить упрощение и значительное удешевление конструкции сенсора, что позволит, во-первых, перейти к промышленному изготовлению сенсоров по массовой технологии микро- и наноэлектроники, а во-вторых, создать измерительный прибор на его основе, доступный по стоимости и простоте использования не только научным сотрудникам, но и лаборантскому составу медицинских и фармацевтических предприятий и учреждений (больниц, клиник, диагностических лабораторий, аптек и т.п).
-3
Сформулированные цель и задачи решаются: 1-я задача обеспечения повышения чувствительности оптических измерений до уровня, близкого к чувствительности акустических измерений, решается тем, что в известном устройстве, во-первых, вместо ИК-света используется свет видимого диапазона, для которого характерны коэффициенты поглощения на 2-4 порядка величины больше, чем в ИК-диапазоне, во-вторых, вместо однократного поглощательно-отражательного режима измерения света образцом, при котором ИК-луч света только дважды проходит пленку по толщине, используется волноводный режим измерения, в котором монокристалл кварца - пьезоэлектрика, на одной из фронтальных граней которого сформированы ВШП, обладающий прекрасной пропускающей способностью в области света видимого диапазона, используется в качестве плоского волновода для света видимого диапазона (фиг.1), а свет, который распространяется по волноводу, в зависимости от угла падения света на торцовую грань монокристалла пьезоэлектрика, а также в зависимости от соотношения коэффициентов (показателей) преломления материалов пьезоэлектрика и нанопленки, зондирует нанопленку вдоль ее поверхности или в режиме многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО), или в режиме многократного отражательно-поглощательного, при котором луч света многократно проникает в пленку на всю ее толщину (фиг.2); 2-я задача обеспечения упрощения конструкции нагревательного элемента с одновременным повышением точности задания и поддержания температуры нанопленочных образцов решается тем, что в известном устройстве, в котором в качестве нагревательного элемента используется сам монокристалл пьезоэлектрика, в котором с помощью сложнейшей лабораторной технологии проделан канал, через который пропускается термостатирующая жидкость, на фронтальной грани располагаются и закрепляются с помощью термостойкого клея несколько ЧИП-резисторов (каждый с номинальным сопротивлением 500 Ом), соединенных с помощью микропайки и соединительных проводников в последовательную цепь, образуя нагреватель, работающий на тепле Джоуля-Ленца, которое выделяется этим нагревателем в результате прохождения через него электрического тока; нагреватель, состоящий из нескольких ЧИП-резисторов, расположенных симметрично относительно центра монокристалла с общим сопротивлением несколько кОм, обеспечивает быстрый - в течение нескольких секунд - нагрев монокристалла пьезоэлектрика и нанопленки до любой температуры в диапазоне 20-70°С, в зависимости от величины приложенного внешнего напряжения, и поддерживает заданную температуру с точностью не хуже 4·10° С (по градуировке платинового термометра сопротивления лепесткового типа, который расположен также на поверхности монокристалла пьезоэлектрика (фиг.1)); 3-я задача обеспечения возможности одновременного проведения акустических на ПАВ и не менее чувствительных оптических измерений нанопленочных образцов в одном эксперименте решается тем, что в известном устройстве вместо проведения синхронных измерений на ПАВ и оптических измерений в инфракрасной области спектра в однократном поглощательно-отражательном режиме проводятся синхронные измерения на ПАВ и оптические в волноводном режиме прохождения света видимого диапазона (режим МНПВО или многократный отражательно-поглощательный режим); 4-я задача обеспечения упрощения и значительного удешевления конструкции сенсора решается тем, что, во-первых, в известном устройстве вместо уникального нагревательного элемента, которым является монокристалл пьезоэлектрика - кварца с проделанным внутри его каналом, используется нагреватель из промышленно выпускаемых и очень дешевых ЧИП-резисторов, во-вторых, в отличие от известного устройства, в заявляемом устройстве отсутствует отражательная нанопленка золота, которая находится между ВШП (Фиг.1).
Возможности предлагаемого изобретения (устройства) бифункционального акусто-оптического сенсора в исследованиях межмолекулярных взаимодействий, в которые вступают молекулы монослоев, мультислоев, нанопленок типа ген - антиген, связывания молекул белков и т.п., продемонстрированы на примере исследований хорошо изученного ранее процесса сорбции паров аммиака из газовой фазы нанопленкой функционального полимера - полидиметилсилоксана (ПДМС) с ионносвязанными фрагментами катионов органического красителя - бриллиантового зеленого (БЗ) [Соборовер Э.И., Зубков И.Л. Высокоэффективная конструкция плосковолноводного оптического химического сенсора. // Датчики и системы. 2003, вып.4. С.2-7]. Нанопленка ПДМС толщиной (0.107±0.014) мкм (107 нм), что соответствует приблизительно толщине 50-ти мономолекулярных слоев, нанесена из соответствующего раствора с помощью микрошприца в пространство между ВШП на поверхность пьезоэлектрика - монокристалла кварца АТ-среза (конструкция - «линия задержки на ПАВ» с резонансной частотой 170 МГц). Остаточный растворитель удален в высоком вакууме. Аммиак подается на поверхность пленки в составе воздушного потока в режиме нарастания концентрации в потоке. Акустические измерения - измерения ПАВ-частоты и оптические измерения пропускания света 645 нм (источник света - полупроводниковый лазерный диод) с помощью измерений величины падения напряжения на фотоприемнике проведены при нескольких температурах образца нанопленки: 24, 34, 44 и 54°С. Из кинетических акустических и оптических данных (фиг.3) построены изотермы сорбции аммиака нанопленкой функционального ПДМС (фиг.4). Далее по общеизвестным из термодинамики формулам рассчитаны все термодинамические параметры сорбции: энергия Гиббса, энтальпия и энтропия (таблица).
Таблица.
Термодинамические параметры процесса сорбции аммиака пленкой ПДМС
ΔG<sup>0</sup> <sub>297</sub>, кДж/моль
ΔН<sup>0</sup>, кДж/моль
ΔS<sup>0</sup> <sub>297</sub>, Дж/моль·К
Акустические измерения
-(18.08±0.34)
-(25.8±7.1)
-(26±25)
Оптические измерения
-(14.4±0.6)
-(84.0±11.0)
-(234±40)
На основании того, что оптические в видимой области спектра измерения контролируют только процесс хемосорбции, обусловленный межмолекулярным взаимодействием молекул аммиака с катионами БЗ, входящими в состав полимерной пленки, а акустические измерения контролируют всю сорбцию молекул аммиака, включая физическую сорбцию и хемосорбцию, проведено сравнение термодинамических параметров, рассчитанных из оптических данных и акустических. В результате вычитания величин термодинамических параметров, полученных из акустических данных, из величин термодинамических параметров, полученных из оптических параметров, можно получить вклады в термодинамические параметры сорбции, обусловленные хемосорбцией и структурными релаксациями полимерных цепей, являющимися следствием хемосорбции. Приведенный пример демонстрирует, что применение заявленной конструкции бифункционального акусто-оптического сенсора (устройства) позволило приблизить чувствительность оптических измерений к чувствительности акустических измерений, провести синхронно и те и другие измерения в интервале положительных температур и, в результате получить уникальные данные, недоступные другим приборам и подобным устройствам - бифункциональным акусто-оптическим химическим сенсорам.
Краткое описание чертежей
Фиг.1. Конструкция бифункционального акусто-оптического сенсора: (1) - монокристалл пьезоэлектрика, (2) - образец исследуемой нанопленки, (3) - встречно-штырьевые преобразователи из алюминия или золота, (4) - ВЧ-усилитель, (5) - источник света видимого диапазона, (6) - фотоприемник, (7) - ЧИП-резисторы, образующие нагреватель, (8) - термодатчик.
Фиг.2. Схема прохождения света по волноводу - монокристаллу пьезоэлектрика (1) в режиме МНПВО - (а), в многократном отражательно-поглощательном режиме (б); (2) - образец исследуемой нанопленки.
Фиг.3. Кинетические зависимости изменений ПАВ-частоты (Гц) и величины падения напряжения на фотоприемнике (В) в присутствии различных концентраций аммиака в воздушном потоке (температура образца исследуемой нанопленки 24°С).
Фиг.4. Изотермы сорбции, построенные из акустических и оптических данных.
-3
Конструкция бифункционального акусто-оптического сенсора состоит из монокристалла пьезоэлектрика, обладающего прозрачностью в видимой области спектра (1), на поверхности которого методом фотолитографии сформированы встречно-штырьевые преобразователи (ВШП) из алюминия или золота (3). Образец исследуемой нанопленки (2) помещается (наносится) в пространство между ВШП. Кроме этого, в конструкцию сенсора входит высокочастотный усилитель (ВЧ-усилитель) (4), источник света видимого диапазона (5) и фотоприемник (6). Кроме этого, в конструкцию сенсора входят ЧИП-резисторы, образующие нагреватель сенсора и расположенные по периметру (7), термодатчик - платиновый термометр сопротивления лепесткового типа (8). Монокристалл пьезоэлектрика вместе с ВШП образует ПАВ-элемент, называемый «линия задержки на ПАВ», в которой один ВШП является генерирующим ПАВ преобразователем, а второй ВШП - принимающим ПАВ преобразователем. ПАВ-элемент включен в цепь обратной связи ВЧ-усилителя, образуя генератор ПАВ-частоты, которая может находиться в диапазоне от 30 МГц до 1 ГГц (1-я гармоника). В качестве источника света видимого диапазона может быть использован практически любой источник видимого света: микролампочка накаливания, светоизлучающий диод, лазерный диод и др. В качестве фотоприемника могут быть использованы любые фотоэлектрические преобразователи, чувствительные к свету видимого диапазона: вакуумного типа - фотоэлемент, фотоэлектронный умножитель, полупроводникового типа - фотодиод, фототриод и др. В нагревателе сенсора могут быть использованы практически любые известные типоразмеры ЧИП-резисторов с двумя условиями: 1. Мощность нагревателя, в качестве которого используется электрическая цепь, состоящая из нескольких ЧИП-резисторов, должна обеспечивать достижение и поддержание температуры сенсора от 20 до +70°С в условиях измерений, проводимых в лаборатории; 2. ЧИП-резисторы, которые образуют нагреватель сенсора, должны иметь такие геометрические размеры, чтобы свободно располагаться на той же фронтальной грани монокристалла пьезоэлектрика, на которой расположены ВШП, и не вносить электрических помех в работу ВШП. В качестве термодатчика может быть использован любой тип платинового термометра сопротивления (ПТС) лепесткового типа, соответствующий двум требованиям: 1. Градуировка ПТС должна обеспечивать разрешение по температуре не хуже 4·10°С; 2. ПТС, который расположен на той же фронтальной грани монокристалла пьезоэлектрика, на которой расположены ВШП, должен иметь такие геометрические размеры, чтобы не вносить электрических помех в работу ВШП.
Бифункциональный акустооптический сенсор, предназначенный для физико-химических и медико-биологических исследований нанопленок, работает следующим образом. Вначале изготавливается образец для измерений, для этого в пространство между ВШП ПАВ-элемента наносится исследуемая нанопленка. Затем производится электрическое включение элементов измерительной системы: включается частотомер, который является измерителем ПАВ-частоты, и на ВЧ-усилитель подается питание, после чего начинает работать ПАВ-генератор и на индикаторном устройстве частотомера появляется значение ПАВ-частоты. После этого включается питание источника света и фотоприемника. Производится юстировка положения источника света - выводится необходимый угол падения пучка света на торцовую грань монокристалла пьезоэлектрика, который позволяет реализовать один из режимов прохождения света через образец: МНПВО или многократно отражательно-поглощательный. Затем, используя принцип «максимального отклика», производится юстировка положения входного окна фотоприемника. Затем на нагреватель подается питающее напряжение, соответствующее выбранной температуре сенсора. Контроль температуры сенсора осуществляется с помощью термодатчика, в данном случае ПТС, предварительно отградуированного в высокоточном термостате в координатах: электрическое сопротивление (R, Ом) - температура в градусах Цельсия или Кельвина. Далее температура сенсора подгоняется под заданную с помощью тонкой регулировки напряжения питания, подаваемого на ЧИП-нагреватель. В дальнейшем, в ходе какого-либо физико-химического или медико-биологического процесса, в котором участвует исследуемая нанопленка, производятся синхронные непрерывные записи показаний частотомера (Гц) и фотоприемника.