Способ изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния, для микрофлюидных устройств (варианты)
METHOD FOR MANUFACTURING OF A SENSOR MODULE BASED ON THE EFFECT OF GIANT RAMAN SCATTERING, FOR MICROFLUID DEVICES (VERSIONS)

Изобретение относится к области разработки чувствительных элементов, применяемых в составе химических и биологических оптических сенсоров, используемых для детектирования и анализа веществ, а именно, к технологии изготовления сенсорного модуля для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), интегрируемого с устройствами микрофлюидики. Изобретение может быть использовано в различных областях науки и техники: молекулярная спектроскопия, биология, медицина, экология, криминалистическая экспертиза и других.
8
11
ГКР является мощным аналитическим инструментом для биологических и химических исследований. Эта методика широко применяется в биомедицине и анализе фармакологических препаратов, исследованиях в области безопасности пищевых продуктов и мониторинге окружающей среды в связи с высокой чувствительностью метода. ГКР-активные подложки могут обеспечить коэффициенты усиления сигнала комбинационного рассеяния до 10-10, что делает возможным детектирование веществ с чувствительностью вплоть до единичных молекул.
Другим широко развиваемым направлением в настоящее время является микрофлюидика, используемая в биологии, медицине, химии. Достижения в микрофлюидике позволили значительно продвинуться в молекулярной биологии для ферментативного анализа, анализа ДНК (например, полимеразной цепной реакции и высокопроизводительного секвенирования). Основной идеей микрофлиюдных биочипов является интеграция аналитических операций, таких как обнаружение веществ и подготовка проб на одном чипе. Устройства на основе микрофлюидики способны проводить непрерывный отбор проб и диагностику образцов, например, воздуха/газов в реальном времени на предмет содержания биохимических токсинов и других опасных веществ.
Интеграция ГКР-активных подложек с устройствами микрофлюидики открывает путь к комплексному анализу биологических систем и химических соединений. Комбинация исключительной чувствительности ГКР-подложек, высокой скорости анализа и минимального потребления проб микрофлюидных устройств позволит добиться выхода микрофлюидики на новый качественный уровень.
Оптические сенсоры на основе регистрации ГКР сигнала от вещества являются аналитическими инструментами для биологических и химических исследований, которые характеризуются высокой чувствительностью. В настоящее время в качестве чувствительного элемента таких сенсоров используют подложки с ГКР-активными слоями (ГКР-подложки), представляющими собой шероховатые металлические поверхности, ансамбли металлических наночастиц (НЧ) или наноструктур. Такие подложки обеспечивают усиление сигнала комбинационного рассеяния от вещества за счет увеличения локального электрического поля вблизи металлической поверхности при возбуждении лазерным излучением поверхностного плазмонного резонанса в НЧ.  Для реализации усиления комбинационного рассеяния от вещества подложку с ГКР-активным слоем тем или иным образом приводят в непосредственный контакт с веществом. Затем облучают вещество, находящееся в контакте с ГКР-слоем, лазером и регистрируют сигнал комбинационного рассеяния посредством спектрометра.
-1
-1
Известен ряд конструктивных решений по разработке чувствительных элементов для оптических сенсоров, работающих на основе регистрации сигнала ГКР от вещества. В патенте США № 20110311729, опубл. 22.12.2011 по классам МПК B05D L/18, B05D L/36, BO5D 3/00, ГКР-подложка представляет собой основание, на которое нанесен слой углеродных нанотрубок, покрытых наночастицами металла (золото, медь, платина и др.) При этом нанотрубки обеспечивают значительную шероховатость поверхности, что приводит к высокому уровню и стабильности ГКР сигнала. Недостатком данной ГКР-подложки является доминирование сигнала комбинационного рассеяния от углеродных нанотрубок на регистрируемых ГКР спектрах в области 1350 см и 1580 см, что существенно затрудняет анализ спектров анализируемых веществ.
2
Существуют решения, использующие кластеры металлических наночастиц. В патенте US2015185370, опубл. 02.07.2015 по классам МПК G01N21/01, G01N21/65, G02B5/00, посредством самоорганизации плёнки золота, нанесенной на поверхность основания, получают массивы кластеров площадью до 25 мкм. Ключевым технологическим решением является модификация поверхности основания электронным лучом посредством электронной литографии. В то же время необходимость применения электронной литографии является существенным недостатком данной разработки, поскольку значительно усложняет процесс изготовления чувствительного элемента, уменьшает производительность и увеличивает стоимость подобных ГКР-подложек.
Другим решением в разработке ГКР-подложки является создание массива золотых наностержней на поверхности основания (патент US7583379, опубл. 11.06.2009 по классу МПК C40B30/10). На наностержни наносят антитела, чувствительные к различным типам молекул и вирусов, что обеспечивает селективность регистрации веществ. Недостатком решения является ограниченный срок годности подложек ввиду использования специфичных антител.
Технологические недостатки вышеназванных чувствительных элементов, а также отсутствие выделенного канала/области, по которому бы протекало анализируемое вещество, не позволяют реализовать их интегрирование с микрофлюидными устройствами.
3
Наиболее близким аналогом является способ изготовления сенсора для получения спектров ГКР, представляющего собой стеклянный капилляр, на внутреннюю сторону которого нанесены наночастицы серебра, которые получают и прикрепляют к поверхности стекла с помощью реакции восстановления ионов серебра алкиламинами, а именно стеклянные капилляры промывают моющим раствором для оптики, дистиллированной водой при перемешивании ультразвуком, абсолютным этанолом и сушат на воздухе, помещают в тефлоновый стакан с реакционной смесью 1 ммоль/л AgNO и 1 ммоль/л алкиламина в этаноле, реакционную смесь нагревают при 45-50°С в течение 40 мин при интенсивном перемешивании вдоль оси капилляров, после реакции восстановления капилляры промывают этанолом и очищают с внешней стороны. Для восстановления ионов серебра могут быть использованы бутиламин и этаноламин (патент РФ № 2537301, опубл. 27.12.2014 по классам МПК G01B 21/00, G01N 21/00, G01J 3/44, B05D 7/22, B82Y 40/00). Сенсор для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния, полученный этим способом, содержит стеклянный капилляр, на внутреннюю сторону которого нанесено ГКР-покрытие из наночастиц серебра. Вещество пропускают через капилляр и облучают лазером, регистрируя ГКР спектры. Существенными недостатками сенсора являются технологические ограничения на форму и габариты капилляра, обоснованные фиксированной толщиной стенок капилляра, что не позволяет произвести интегрирование такого сенсора в полноценные микрофлюидные устройства, требующие микро- и нанометрового разрешения и формирования каналов сложной формы.
Технической проблемой заявляемого изобретения является разработка способа изготовления сенсорного модуля для регистрации ГКР-спектра с высоким разрешением от веществ, характеризующихся как высокой, так и низкой ГКР-активностью, а также обеспечивающего возможность интеграции сенсорного модуля в устройства микрофлюидики.
Поставленная техническая проблема решается за счет заявляемого способа изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), включающего четырехстадийную обработку поверхности плоского стеклянного основания, при которой на первой стадии производят обогащение приповерхностного слоя стеклянного основания ионами металла, например, серебра, золота, меди или их любого сочетания в любых пропорциях, на второй стадии производят термическую электрополевую модификацию стеклянного основания профилированным анодным электродом с заданным микропрофилем, для этого поверхность стекла приводят в контакт с шаблоном с заданным микропрофилем, являющимся анодом, с одной стороны, и с плоским катодом, являющимся подложкодержателем, с другой стороны, помещают в камерную печь, в которой осуществляют нагрев стекла до температуры в диапазоне от 50°С до температуры ниже на 20…30°С переходной температуры стекла, одновременно с нагревом стекла к аноду прикладывают постоянное напряжение, после чего образец стекла инерционно охлаждают в камерной печи и снимают электрическое напряжение, на третьей стадии производят селективное травление модифицированного стеклянного основания в жидком травителе, на четвертой стадии стеклянное основание со сформированной системой микроканалов подвергают высокотемпературному отжигу в восстановительной атмосфере.
Второй вариант способа изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), заключается в четырехстадийной обработке поверхности плоского стеклянного основания, при которой на первой стадии производят термическую электрополевую модификацию стеклянного основания профилированным анодным электродом с заданным микропрофилем, для этого поверхность стекла приводят в контакт с шаблоном с заданным микропрофилем, являющимся анодом, с одной стороны, и с плоским катодом, являющимся подложкодержателем, с другой стороны, помещают в камерную печь, в которой осуществляют нагрев стекла до температуры в диапазоне от 50°С до температуры ниже на 20…30°С переходной температуры стекла, одновременно с нагревом стекла к аноду прикладывают постоянное напряжение, после чего образец стекла инерционно охлаждают в камерной печи и снимают электрическое напряжение, на второй стадии производят обогащение приповерхностного слоя стеклянного основания ионами металла, например, серебра, золота, меди или их любого сочетания в любых пропорциях, на третьей стадии производят селективное травление модифицированного стеклянного основания в жидком травителе, на четвертой стадии стеклянное основание со сформированной системой микроканалов подвергают высокотемпературному отжигу в восстановительной атмосфере.
Третий вариант способа изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), заключается в четырехстадийной обработке поверхности плоского стеклянного основания, при которой на первой стадии производят термическую электрополевую модификацию стеклянного основания профилированным анодным электродом с заданным микропрофилем, для этого поверхность стекла приводят в контакт с шаблоном с заданным микропрофилем, являющимся анодом, с одной стороны, и с плоским катодом, являющимся подложкодержателем, с другой стороны, помещают в камерную печь, в которой осуществляют нагрев стекла до температуры в диапазоне от 50°С до температуры ниже на 20…30°С переходной температуры стекла, одновременно с нагревом стекла к аноду прикладывают постоянное напряжение, после чего образец стекла инерционно охлаждают в камерной печи и снимают электрическое напряжение, на второй стадии производят селективное травление модифицированного стеклянного основания в жидком травителе, на третьей стадии производят обогащение приповерхностного слоя стеклянного основания ионами металла, например, серебра, золота, меди или их любого сочетания в любых пропорциях, на четвертой стадии стеклянное основание со сформированной системой микроканалов подвергают высокотемпературному отжигу в восстановительной атмосфере.
В каждом из вариантов способа изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния, ГКР-активное покрытие может быть выполнено в виде массива наночастиц размером от 1 до 500 нм, состоящих из серебра, золота, меди или любого их сочетания в любых пропорциях.
В каждом из вариантов способа изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния, ГКР-активное покрытие может быть выполнено в виде наноостровковой плёнки толщиной от 1 до 500 нм, состоящей из серебра, золота, меди или любого их сочетания в любых пропорциях.
2
2
В каждом из вариантов способа изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния, на ГКР-активное покрытие может быть нанесен защитный диэлектрический слой, состоящий, например, из TiO или SiO, толщиной от 1 до 50 нанометров.
Все три варианта объединены единым техническим замыслом, направленным на достижение одного и того же технического результата.
В качестве материала основания сенсорного модуля может быть использовано натрий–силикатное стекло, доступное и широко используемое в промышленности в настоящее время и обладающее рядом преимуществ: низкая себестоимость, высокая скорость травления, наличие широкого спектра отработанных технологий по работе со стеклом, прозрачность по отношению к длинам волн электромагнитного излучения, часто используемым для реализации гигантского комбинационного рассеяния. Помимо этого, в составе данного типа стекол (в отличие, например, от кварцевых) содержится большое количество катионов щелочных металлов, наличие которых положительно сказывается на эффективности предлагаемого способа формирования и его пространственном разрешении.
Геометрию формируемых на поверхности основания сенсора микроканалов выбирают в соответствии с технологическими особенностями интегрирования с конкретным микрофлюидным устройством.
ГКР-активный слой представляет собой наночастицы или островковые плёнки золота, серебра, меди или их сочетания, нанесенные на дно микроканалов, толщиной от 1 до 500 нм. Металлы из данного ряда зарекомендовали себя в ГКР-устройствах ввиду их особенных плазмонных свойств, поскольку их резонансные частоты лежат в областях, близких к частотам лазеров, обычно применяемых в рамановских спектрометрах. Как результат, достигается наибольшее усиление. Помимо этого, именно металлы из этого ряда предпочтительно применять при реализации предлагаемого способа, поскольку они лежат правее водорода в ряду активности металлов, и могут быть восстановлены им при реализации последнего этапа способа – отжиге в восстанавливающей атмосфере. При этом тип металла и средний размер частиц выбираются таким образом, чтобы плазмонная частота получающихся частиц соответствовала частоте лазерного излучения, которое будет использовано при реализации эффекта гигантского комбинационного рассеяния. Так, серебряные наночастицы могут быть использованы для лазеров с длиной волны порядка 430-450 нм, золотые и медные – для лазеров с длиной волны порядка 540-590 нм. Для подстройки сенсора под промежуточные частоты возбуждающего лазера возможно использовать частицы из сплава серебро-медь-золото в необходимой пропорции, или так называемые core-shell структуры, при которых ядро наночастицы из одного чистого материала, например, золота, покрыто плёнкой из другого материала, например, серебра.
2
2
В качестве защиты ГКР-активного слоя и для повышения срока его службы возможно нанесение на него тонкого диэлектрического слоя, например, из TiO или SiO, толщиной от 1 до 50 нанометров.
Достигаемый технический результат заключается в возможности интеграции сенсора с различными микрофлюидными устройствами с одновременным обеспечением возможности измерения спектров гигантского комбинационного рассеяния анализируемого вещества.
Изобретение поясняется чертежами, где:
- на Фиг. 1-3 схематически проиллюстрированы этапы заявляемых вариантов способов изготовления сенсорного модуля для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния от вещества;
- на Фиг. 4 схематически изображен возможный вариант конструкции сенсорного модуля для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния от вещества, интегрируемого с устройствами микрофлюидики;
- на Фиг. 5 представлена микрофотография поверхности ГКР-активного слоя на поверхности дна микроканала, выполненного в виде наноостровковой плёнки, полученная с использованием сканирующей электронной микроскопии;
- на Фиг. 6 представлена микрофотография поверхности ГКР-активного слоя на поверхности дна микроканала, выполненного в виде наноостровковой плёнки, полученная с использованием атомно-силовой микроскопии;
- на Фиг. 7 представлена микрофотография поверхности сенсорного модуля вне микроканала, полученная с использованием атомно-силовой микроскопии;
- на Фиг. 8 представлена микрофотография поверхности сенсорного модуля вне микроканала, полученная с помощью сканирующей электронной микроскопии;
- на Фиг. 9 представлен спектр комбинационного рассеяния тестового вещества, регистрируемый примерным вариантом осуществления сенсорного модуля для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния.
Сенсорный модуль для получения спектров гигантского комбинационного рассеяния от вещества представляет собой стеклянное основание 1, на поверхности которого расположены микроканалы 2 необходимой геометрии, на дне которых сформирован ГКР-активный слой 3. ГКР-активный слой 3 сенсорного модуля может быть выполнен в виде наночастиц, либо наноостровковой плёнки серебра, золота, меди или их сочетания.
3
Способ изготовления сенсорного модуля, основанного на эффекте гигантского комбинационного рассеяния, проводят в четыре этапа. На первом этапе производят обогащение приповерхностного слоя стеклянного основания ионами металла (серебра, золота или их смеси), например, путем помещения стеклянного основания 1 в виде пластины в расплав солей металла 4 (серебра, меди, золота) при температуре, в диапазоне от температуры плавления и до температуры разложения соответствующих солей или их смеси, например, в диапазоне 210-300°С для расплава чистой соли AgNO.
4
4
Для выращивании ГКР-активного покрытия из золота, меди или их смеси используют другие соли, например, AuSO, CuCl, CuSOи др.
Ионный обмен происходит между щелочными ионами матрицы стекла (Na+, K+) и положительными ионами металла, содержащимися в расплаве. Таким образом, в приповерхностной области стекла формируется обогащённый ионами металла (серебра, меди, золота) слой толщиной до 20 мкм. Затем проводят процедуру термического полинга стеклянного основания 1 со сформированным обогащённым ионами металла (серебра, меди, золота) слоем с использованием плоского профилированного электрода 5. Термический полинг заключается в локальной электрополевой модификации стекла: смещении положительных ионов вглубь стекла в области контакта стекло-электрод в результате их диффузии и дрейфа под действием внешнего электрического поля. Стеклянное основание 1 и электрод 5 находятся в термостатированной печи при температуре 100-400°С, а на электрод 5, прижатый к стеклянному основанию 1, прикладывают положительное напряжение 300-1000 Вольт в режиме постоянного тока в течение 10-180 минут.
4
Электрод 5 имеет поверхностный профиль, соответствующий требуемой геометрии микроканалов для интеграции с конкретным микрофлюидным устройством. После термического полинга профилированное стеклянное основание 1 подвергают селективному травлению в травителе 6 в течение 5-120 минут при комнатной температуре, например, в водном растворе соли NHF концентрации 5%-50%. В результате разной скорости травления участков модифицированной и немодифицированной поверхности стекла на стеклянном основании 1 формируются микроканалы 2, причем расположение микроканалов 2 соответствует профилю электрода 5 и областям стеклянного основания 1, которые не подверглись электрополевой модификации.
Затем стеклянное основание 1 отжигают в восстанавливающей газовой атмосфере 7 в течение 5-60 минут при температуре 100-400 ℃ при давлении 500-1000 Па, например, водорода. Параметры и длительности процедур ионного обмена, термического полинга, селективного травления, и отжига в восстанавливающей газовой атмосфере 7, выбирают таким образом, чтобы обеспечить необходимую глубину микроканалов 2 и средний размер наночастиц в ГКР-активном слое 3 сенсорного модуля.
Вариант II. Стеклянное основание 1 вначале подвергают процедуре термического полинга с использованием плоского профилированного электрода 5, затем приповерхностную область стеклянного основания 1 обогащают ионами металла, например, путем помещения в расплав солей металла 4 для ионного обмена; селективное травление; отжиг в восстанавливающей газовой атмосфере 7, например, водорода.
4
Вариант III. Стеклянное основание 1 вначале подвергают процедуре термического полинга с использованием плоского профилированного электрода 5; затем селективному травлению в травителе 6, например, в растворе соли NHF; обогащают приповерхностную область стекла ионами металла, например, путем помещения в расплав солей металла 4 для ионного обмена; отжиг в восстанавливающей газовой атмосфере 7, например, водорода.
В качестве ГКР-активного слоя 3 используются наночастицы и островковые плёнки металлов: золото, серебро, медь или их сочетания, формирующиеся на дне микроканалов после реализации способа. Выбор материала осуществляют в зависимости от того, для какой длины волны возбуждающего излучения создается сенсорный модуль. Геометрию микроканалов 2 на поверхности стеклянного основания 1 (форму, ширину, глубину), выбирают в зависимости от требований по потоку анализируемого вещества, который будет проходить через сенсорный модуль и микрофлюидное устройство, его гидродинамическим свойствам, а также диаметра светового пятна возбуждающего лазера.
2
2
Для защиты ГКР-активного слоя 3 и увеличения срока службы сенсорного модуля возможно нанесение на него тонкого защитного диэлектрического слоя, например, TiO или SiO толщиной от 1 до 50 нанометров любым из способов (атомно-слоевым осаждением, физическим осаждением из газовой фазы, химическим осаждением, молекулярно-пучковой эпитаксией и др.), обеспечивающих температуру подложки при нанесении, не превышающую 400℃.
Для анализа вещества с помощью сенсорного модуля в микроканалы 2 с активным ГКР-слоем 3 подают жидкий раствор веществ или газовую смесь, которые необходимо проанализировать. Активный ГКР-слой 3 усиливает сигнал комбинационного рассеяния. При облучении микроканалов 2 сенсорного модуля сфокусированным лучом лазера регистрируют ГКР-спектр в точках контакта вещества и ГКР-активного слоя 3, по которому и определяют природу вещества.
В качестве анализируемого вещества возможно использование как растворов или газообразных химических веществ, так и биологических объектов. Поскольку эффект ГКР целесообразно применять для обнаружения и анализа веществ в низких концентрациях, предпочтение при анализе должно быть отдано таким химическим веществам, которые характеризуются высокими значениями сечения комбинационного рассеяния.
Пример конкретной реализации заявляемого способа получения сенсорного модуля.
2
2
2
2
3
3
2
3
3
3
4
2
Для формирования сенсора использовалась пластина натрий-силикатного стекла состава: SiO 72.20, NaO 14.30, СaO 6.40, MgO 4.30, KO 1.20, AlO 1.20, SO 0.3, FeO 0.03, в весовых процентах. Пластина была подвергнута ионному обмену в расплаве солей AgNO(5 весовых %)/NaNO(95 весовых %) в течение 20 минут при температуре 325°C. В результате этой процедуры часть ионов натрия в приповерхностной области стекла была замещена на ионы серебра. Затем с использованием профилированного анодного электрода образец был подвергнут термическому полингу при температуре 300℃ в течение 30 минут. Напряжение полинга составило 300 В. Профилирование электрода было выполнено в виде массива периодических прямоугольников размером 60 мкм на 2000 мкм глубиной 650 нм с расстоянием между ними в 200 мкм. В результате термического полинга положительно-заряженные ионы дрейфуют вглубь, меняя локальный состав стекла в тех областях, где стекло находилось в контакте с электродом [Redkov A. V., Melehin V. G., Statcenko V. V., & Lipovskii A. A. (2015). Nanoprofiling of alkali-silicate glasses by thermal poling. Journal of Non-Crystalline Solids, 409, 166-169]. Следующим этапом было травление в растворе соли NHF:8HO в течение 10 минут. В результате травления на поверхности стекла формируется профиль, соответствующий форме электрода, поскольку скорости травления участков, находившихся в контакте с электродом, и необработанных областей существенно различаются [Reduto I. V., Kamenskii A. N., Redkov A. V. and Lipovskii A. A. (2017). Peculiarities of glass surface structuring via electric field imprinting, Journal of Electrochemical Society, 164, E385-E390]. Заключительным этапом формирования сенсора стал отжиг в атмосфере водорода при температуре 250°С в течение 10 минут. В процессе отжига происходит восстановление ионов серебра, находящихся в стекле, до атомарного состояния и их последующий дрейф к поверхности. На поверхности атомарное серебро собирается в наночастицы [Redkov A., Chervinskii S., Baklanov A., Reduto I., Zhurikhina V., & Lipovskii, A. (2014). Plasmonic molecules via glass annealing in hydrogen. Nanoscale Research Letters, 9 (1), 606]. Как результат, на дне сформированных после травления каналов образуется островковая плёнка серебра, которая и выступает в роли ГКР-активного покрытия.
После изготовления в ГКР-активную зону сенсорного модуля была внесена капля раствора, содержащая краситель родамин 6Ж в концентрации 0,1 мМ. Спектры гигантского комбинационного рассеяния родамина 6Ж были получены путем фокусировки луча твердотельного постоянного лазера с длиной волны 532 нм на капле в канале и фиксации рассеянного излучения спектрометром, входящим в состав конфокального рамановского микроскопа Witec Alpha 300R, оборудованного охлаждаемой ПЗС матрицей для понижения шумов и дифракционной решеткой (1800 штрихов на мм). Пример полученного спектра показан на фиг. 9, на котором пик интенсивности на 774 обр. см соответствует внеплоскостному колебанию C-H связи, пики на 1129 и 1183 обр. см соответствуют плоскостным колебаниям C-H связи, пик на 1268 обр. см соответствует ассиметричным валентным колебаниям С-О-С связи, и пики 1310, 1363, 1509, 1572, 1659 об. см соответствуют валентным колебаниям С-С связей ароматического кольца.