ПОДЛОЖКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕТОДОМ УСИЛЕННОГО ПОВЕРХНОСТЬЮ КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01N21/01 G02F1/00 C23C30/00 G01J3/44 

Подложка для исследований методом усиленного поверхностью комбинационного рассеяния

Объектом изобретения является подложка для исследований методом усиленного поверхностью комбинационного рассеяния (УПКР), включающая поверхность из содержащего галлий нитрида, покрытую металлом, выбранным из золота, серебра, платины, меди и/или их сплавов.

Спектроскопия усиленного поверхностью комбинационного рассеяния представляет собой спектроскопический метод измерения интенсивности света в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях спектра, который неупруго рассеивается молекулами, адсорбированными на поверхностях некоторых металлов (например, Ag, Au или Cu) с нанометрическими показателями шероховатости (10-100 нм) [M. Moskovits, Rev. Mod. Phys., 57 (1985) 783; K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 76 (1996) 2444; K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 78 (1997) 1667; S. Nie, S. R. Emory, Science, 275 (1997) 1102]. В последнее десятилетие это один из наиболее интенсивно развивающихся спектроскопических методов, так как он позволяет увеличивать эффективную площадь комбинационного рассеяния молекул, адсорбированных на металлической поверхности, на несколько порядков величины (10²-10⁶, а для некоторых систем даже 10⁸-10¹⁵) [K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 76 (1996) 2444; K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 78 (1997) 1667; S. Nie, S. R. Emory, Science, 275 (1997) 1102] по сравнению с эффективной площадью комбинационного рассеяния неадсорбированных молекул [M. Herne, A. M. Ahern, R. L. Garrell, J. Am. Chem. Soc., 113 (1991) 846; J. Thornton, R. K. Force, Appl. Spectrosc., 45 (1991) 1522].

Область применения УПКР-спектроскопии весьма обширна; наиболее важны ее применения в электрохимических исследованиях, химии полимеров, в исследованиях биологически активных соединений и биологических процессов. В настоящее время, однако, методу УПКР уделяется особенно много внимания в биомедицине и генетике [S. Lee, H. Chon, M. Lee, Biosensors and Bioelectronics 24 (2009) 2260-2263].

Усиление сигнала УПКР зависит от ряда факторов, в том числе от эффективной площади комбинационного рассеяния, частоты возбуждающего излучения, химической природы молекулы и, главным образом, от характера металлической поверхности, на которой молекула адсорбируется, и от степени шероховатости этой поверхности. Свойства шероховатости или, другими словами, неровности определяет электромагнитный механизм усиления, который является доминирующим механизмом УПКР [P. Kambhampati, C. M. Child, M. C. Foster, A. Campion, J. Chem. Phys., 108 (1998) 5013]. Электромагнитный механизм предполагает, что интенсивность как падающего, так и рассеиваемого электромагнитного излучения на поверхности металла выше, чем внутри металла, что можно описать следующим соотношением:

I_R ~ _ (E_R(r,ω_S))²,

где E_R(r,ω_S) - общая интенсивность поля, связанного с адсорбированной молекулой.

Общая интенсивность поля, связанного с молекулой, адсорбированной на металлической поверхности, E_R(r,ω_S), является суммой интенсивностей электромагнитного поля, действующего на адсорбат, представляющий собой диполь, в отсутствие шероховатостей, (E_dip(r,ω_S)), и поля, производимого каждой шероховатостью (E_sc(r,ω_S)) [R. L. Garell, Anal. Chem., 61 (1989) 401A]. При нормальном эффекте комбинационного рассеяния (E_dip(r,ω_S)) принимает сравнительно низкое значение вследствие низких энергий взаимодействия диполя и лазерного излучения. При УПКР шероховатости являются источником дополнительного, очень высокого электромагнитного поля (E_sc(ω_SC)), которое действует непосредственно на молекулу, адсорбированную на металлической поверхности, вызывая огромное увеличение E_R.

Несмотря на то что можно использовать различные подложки, называемые также основаниями, в том числе, например:

● соответствующие пористые поверхности, изготавливаемые посредством специальных окислительно-восстановительных циклов (ОВЦ),

● поверхности, изготавливаемые микролитографическими методами, напылением металла на различные поверхности или полистироловые сферы, осаждением наночастиц металлического золота или серебра на подложки из стекла, кремния или оксида индия и олова,

● поверхности, полученные путем химического травления кислотами или химического восстановления солей металлов (образование коллоидов),

все же существует проблема получения поверхностей, обеспечивающих мощное усиление спектра и его воспроизводимость в каждой точке поверхности. Это чрезвычайно важные свойства активных поверхностей для измерений УПКР, особенно если учитывать применение этого метода в биомедицинских исследованиях или в конструировании биодатчиков [Liu, G. L., Lu, Y., Kim, J., Doll, J. C., and Lee, L. P. Adv. Mater. 2005 17 2683;Domke, K. F., Zhang, D., and Pettinger, B. J. Am. Chem. Soc. 2007 129 6708; Gunawidjaja, R., Peleshanko, S., Ko, H., and Tsukruk, V. V. Adv. Mater. 2008 20 1544].

УПКР - это метод, в котором условия измерений необходимо идеально контролировать, чтобы получать воспроизводимые и достоверные результаты. Это можно обеспечить, в частности, создав способ изготовления воспроизводимых, стабильных и чувствительных подложек для измерений УПКР.

Несмотря на огромное число публикаций и патентных заявок в настоящее время все еще не существует способа, который гарантировал бы воспроизводимость спектров УПКР для данной морфологии поверхности. Известны поверхности для измерений УПКР на основе наночастиц. Кроме того, используются нанопроволоки, в том числе на основе нитрида галлия. Ниже приводятся примеры основных патентных заявок в данной области:

Объектом патентной заявки США № US2008/0096005 A1 „Наноструктурированная подложка для усиленного поверхностью комбинационного рассеяния” являются поверхности из кремния, оксида алюминия или диоксида титана, покрытые наночастицами серебра или золота размером от 40 нм до 120 нм. Для бактерий кишечной палочки E. coli, адсорбированных на одной из таких подложек, был получен коэффициент усиления 2x10⁴, однако аспект воспроизводимости изготавливаемых подложек не изучался.

Объектом патентной заявки США № US 2006/0275541 A1 „Система и способ изготовления поверхностей подложек для УПКР и применяемые для этого устройства” является подложка для обнаружения биологических молекул методом УПКР, причем способ ее изготовления включает строго определенное, контролируемое физическое осаждение из газовой фазы тонких золотых или серебряных пленок на поверхность стекла, жидкого кристалла или полимера. Авторы приводят коэффициент усиления порядка 10¹⁰ для спор Bacillus subtilis, адсорбируемых на одной из полученных поверхностей, тогда как аспект воспроизводимости спектра на одной или нескольких различных поверхностях не обсуждается.

Объектом патентной заявки США № US 7 583 379 B2 „Спектроскопия усиленного поверхностью комбинационного рассеяния (УПКР) и способы ее использования" является УПКР-подложка для обнаружения вирусов, бактерий и других биологических систем, включающая серебряные, никелевые или кремниевые нанопроволоки, изготовленные методом осаждения из газовой фазы и помещенные на стеклянные или кремниевые поверхности. Авторы анализируют в основном соотношение между длиной, диаметром и ориентацией нанопроволок относительно поверхности и интенсивностью получаемых спектров УПКР, но не указывают коэффициент усиления и в то же время уверяют, что спектры для одной подложки воспроизводимы.

Объектом международной патентной заявки, опубликованной под номером WO 2009/035479, „Высокоэффективная подложка с наноструктурой для усиленного поверхностью комбинационного рассеяния и флуоресцентного излучения” является подложка для измерений УПКР, состоящая, например, из полупроводниковой поверхности с прикрепленными нанопроволоками, причем нанопроволоки содержат сердечник, например, из Ga₂O₃, ZnO, InSb или SiC, длиной от 20 нм до 100 нм и диаметром 40 нм, полученный механизмом осаждения ГЖТ (газ - жидкость - твердое вещество), и серебряную или золотую оболочку толщиной от 3 нм до 20 нм. Авторы показывают, что коэффициент усиления для родамина 6G в 35 раз выше, чем получаемый при использовании для измерений УПКР имеющейся на рынке подложки фирмы Mesophotonics.

Объектом международной патентной заявки, опубликованной под номером WO2008/09/4089, „Активная поверхность датчика и способ ее изготовления” является подложка для УПКР, состоящая из нанопроволок и нанотрубок длиной от 0,1 мкм до 100 мкм и диаметром от 5 нм до 400 нм, с осажденными на ней наночастицами серебра размером от 0,5 нм до 100 нм. Авторы указывают лишь на потенциальное использование такой подложки в исследованиях УПКР, не приводя никаких конкретных примеров.

Первая информация о возможном применении покрытого золотом GaN в качестве активной подложки для УПКР представлена в статье Пористый GaN как шаблон для получения активных поверхностей для усиленного поверхностью комбинационного рассеяния [T. L. Wiliamson, X. Guo, A. Zukoski, A. Sood, Diego J. Diaz, and P. W. Bohn, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 20186-20191]. Поверхность GaN была проработана в глубину фототравлением с применением платины, в результате чего была получена пористая структура (PGaN). Перед травлением поверхность образцов GaN покрывали платиновыми пленками толщиной 10 нм через маску, так что формировался правильный рисунок из кружков диаметром 0,5 мм, расположенных на расстоянии 1 мм друг от друга. Травление производилось раствором, содержащим H₂O₂, HF и CH₃OH в соотношении 1:2:2 по объему, с УФ облучением. Через 90 минут травления образовывались поры глубиной 2-3 мкм и диаметром 80-100 нм. Подготовленную таким образом поверхность GaN покрывали золотыми и серебряными пленками толщиной от 10 нм до 100 нм. Использовались два метода осаждения, а именно электролитическое осаждение из раствора и напыление под вакуумом. Коэффициент усиления (EF), определенный авторами для этой поверхности, составляет 2x10⁴.

До сих пор неизвестна подложка для УПКР на основе содержащего галлий нитрида с поверхностью, обработанной таким образом, что формируются нитевидные кристаллы содержащего галлий нитрида, с линейными дефектами внутри, возможно, объединенные в пучки, которые затем покрываются металлической пленкой. Это предмет дальнейшего исследования заявителями.

Авторы настоящего изобретения заметили, что такая поверхность содержащего нитрид галлия, покрытая пленкой металла, т.е. золота, серебра, платины, меди и/или их сплавов, соответствующей толщины, дает сильное и воспроизводимое усиление сигнала комбинационного рассеяния (коэффициент усиления EF порядка 10⁶) для адсорбированных на ней молекул. Коэффициент усиления особенно высок, когда упомянутые нитевидные кристаллы сгруппированы в пучки.

В соответствии с настоящим изобретением подложка для усиленного поверхностью комбинационного рассеяния, включающая полупроводниковую поверхность, содержащую упомянутые выше нитевидные кристаллы и покрытую металлом, выбранным из группы, состоящей из серебра, золота, платины, меди и/или их сплавов, отличается тем, что указанный полупроводник представляет собой содержащий галлий нитрид, а каждый нитевидный кристалл содержит внутри линейный дефект.

Нитевидные кристаллы предпочтительно соединены друг с другом концами, отстоящими от поверхности полупроводника, так что образуются конические пучки.

Указанный дефект кристалла предпочтительно представляет собой дислокацию или инверсионную область.

В соответствии с изобретением толщина металлической пленки на поверхности полупроводника составляет от 50 нм до 150 нм, предпочтительно от 70 нм до 80 нм.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения длина нитевидных кристаллов составляет от 0,2 мкм до 2,0 мкм, более предпочтительно от 0,5 мкм до 1,5 мкм; диаметр нитевидных кристаллов составляет от 40 нм до 150 нм, более предпочтительно от 50 нм до 70 нм, а отношение длины нитевидных кристаллов к их диаметру составляет от 5 до 50, более предпочтительно от 10 до 30.

В свою очередь, поверхностная плотность нитевидных кристаллов, находящихся на поверхности полупроводника, предпочтительно составляет от 10⁸/см² до 10¹⁰/см².

В соответствии с изобретением, металл предпочтительно является золотом, а содержащий галлий нитрид предпочтительно представляет собой нитрид галлия GaN.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения полупроводниковая поверхность нитрида галлия представляет собой поверхность, аналогичную кристаллографической плоскости с индексами Миллера (0001), т.е. кристаллографическую плоскость С полярности Ga.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения полупроводниковая поверхность нитрида галлия представляет собой поверхность, аналогичную кристаллографической плоскости с индексами Миллера (000-1), т.е. кристаллографическую плоскость С полярности N.

Для молекул, адсорбированных на ее поверхности, подложка, соответствующая изобретению, предпочтительно имеет коэффициент усиления EF выше 10⁴, а еще более предпочтительно выше 10⁶.

Воспроизводимость спектров комбинационного рассеяния, записанных в различных точках одной и той же подложки, соответствующей изобретению, предпочтительно составляет не менее 80%. В свою очередь, воспроизводимость спектров комбинационного рассеяния, записанных на разных подложках, соответствующих изобретению, составляет не менее 75%.

Подложки, соответствующие изобретению, характеризуются коэффициентом усиления порядка 10⁶, т.е. на два порядка величины выше имеющихся на рынке подложек для УПКР. Кроме того, подложка, соответствующая изобретению, отличается очень хорошей повторяемостью записанных спектров как для одной (не менее 80%), так и для нескольких подложек (не менее 75%).

Определения и методы расчета основных параметров

Содержащий галлий нитрид - соединение общей формулы Al_xGa_1-x-yIn_yN, где 0≤x<1, 0≤y<1 и 0≤x+y<1. Понятие содержащего галлий нитрида охватывает смешанный нитрид алюминия, галлия и индия, а именно AlGaInN, смешанный нитрид галлия и индия, а именно GaInN, а также стехиометрический нитрид галлия GaN.

Коэффициент усиления EF определяет соотношение интегральных (максимальных) интенсивностей для молекул, адсорбированных на поверхности, и для молекул в растворе; он определяется следующим выражением:

EF= (I_SERS/I_Raman)/ (N_SERS/N_Raman);

где:

I_SERS - измеренная интегральная интенсивность полосы в спектре УПКР молекул, адсорбированных на поверхности,

I_Raman - измеренная интегральная интенсивность полосы в спектре УПКР молекул в растворе,

N_Raman - обозначает количество молекул в растворе, ”освещенных” лазерным излучением для регистрации спектра комбинационного рассеяния,

N_SERS - обозначает количество адсорбированных молекул, ”освещенных” лазерным излучением для регистрации спектра УПКР,

N_Raman - было определено с помощью выражения:

N_Raman = N_A X C X D_f x πr²

где:

N_A - число Авогадро, 6,02x10²³,

c - молярная концентрация раствора,

D_f - глубина фокуса; Df=2λ/NA², где для линии 785 нм NA, т.е. апертура объектива равна 0,55, что дает D_f=5 мкм,

πr² - геометрическое поперечное сечение молекул.

N_SERS - оценивалось исходя из покрытия поверхности, при допущении, что молекулы адсорбированы на поверхности в виде мономолекулярной пленки, и с учетом размера области, освещенной лазером.

N_SERS = N_m x A

где:

N_m - количество молекул в исходном растворе, используемом для адсорбции;

A - площадь, освещенная лазером, где A = π x S; здесь S обозначает размер лазерного пятна, который равен 1мкм² для линии 785 нм, используемой при измерениях, и 50-кратного увеличения объектива.

Воспроизводимость для одной подложки означает воспроизводимость спектров УПКР, записанных на этой подложке в ее различных точках (согласие по интенсивности и положениям полос у спектров УПКР, записанных в идентичных условиях измерений). Этот параметр определялся следующим образом: определялись интегралы площади, соответствующей разности между двумя сравнимыми спектрами, записанными на одной и той же подложке, но в различных ее точках. Воспроизводимыми спектрами (согласие 100%) считаются те, для которых интегралы площади, соответствующей этой разности, различаются не более чем на 3%.

Воспроизводимость для разных подложек означает воспроизводимость спектров УПКР, записанных на разных подложках (согласие по интенсивности и положениям полос у спектров УПКР, записанных в идентичных условиях измерений). Этот параметр определялся следующим образом: определялись интегралы площади, соответствующей разности между двумя сравнимыми спектрами, записанными на разных подложках. Воспроизводимыми спектрами (согласие 100%) считаются те, для которых интегралы площади, соответствующей этой разности, различаются не более чем на 3%.

Сторона с полярностью элемента группы III (сторона галлия). В кристаллах нитридов элементов группы III со структурой вюртцита кристаллические плоскости, перпендикулярные оси симметрии кристалла C₆ (так называемые плоскости С с индексами Миллера (0001)), не эквивалентны. Эти плоскости называются полярными плоскостями, а именно это сторона с полярностью элемента группы III (в случае стехиометрического нитрида галлия GaN называемая для краткости сторона галлия) и сторона с полярностью N, называемая для краткости сторона азота. Эти стороны имеют различные физико-химические свойства.

Подробное описание изобретения

Объект изобретения будет описан ниже со ссылками на чертежи, где:

● Фиг. 1 - изображение сканирующим электронным микроскопом поверхности GaN, соответствующей изобретению, после процесса травления, когда нитевидные кристаллы на поверхности образуют характерные пучки,

● Фиг. 2 изображение сканирующим электронным микроскопом поверхности GaN, показанной на фиг. 1, после покрытия золотой пленкой толщиной 70 нм,

● Фиг. 3 - внешний вид микроскопа на основе комбинационного рассеяния, используемого для регистрации спектров УПКР (a), и его принципиальная схема (b),

● Фиг. 4 - спектры УПКР малахитового зеленого (MGTIC), адсорбированного из 10^-6M раствора, на поверхности подложки для УПКР, соответствующей изобретению, записанные в ее различных точках (b, c, d, e), и самой подложки (a),

● Фиг. 5a и 5b - спектры УПКР малахитового зеленого (MGTIC), адсорбированного из 10^-6M раствора, на двух различных подложках для УПКР, соответствующих изобретению (A and B), записанные в различных точках на каждой подложке, соответственно,

● Фиг. 6 - спектры УПКР молекул p-аминотиофенола, адсорбированные из водного 10^-5M раствора на подложке для УПКР, соответствующей изобретению, записанные в ее различных точках (a, b, c, d),

● Фиг. 7 - спектры УПКР молекул p-аминотиофенола, адсорбированные из водного 10^-5M раствора на четырех различных подложках для УПКР, соответствующих изобретению (A, B, C, D),

● Фиг. 8 - спектры УПКР молекул L-аланина, адсорбированных из водного 10^-4M раствора на подложке для УПКР, соответствующей изобретению, и

● Фиг. 9 - изображение сканирующим электронным микроскопом еще одной поверхности GaN, соответствующей изобретению, после травления, когда нитевидные кристаллы на поверхности не образуют пучков.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Вариант 1

Подложка для УПКР, соответствующая изобретению, была изготовлена следующим образом.

В качестве подложки использовалась пленка GaN толщиной 3-8 мкм, полученная на сапфире методом химического газового осаждения из металлоорганических соединений. Пластинки GaN на сапфире разрезали на образцы размером 5x5 мм. Поверхность образцов, аналогичную кристаллической плоскости С с полярностью галлия, травили в течение 20 минут в 10% водном растворе HF, а затем промывали 5 раз в деионизированной воде. После очистки поверхности каждый образец помещали в 150 мл водных растворов KOH и K₂S₂O₈ с концентрациями 0,05 моль и 0,03 моль, соответственно. Затем раствор с образцом облучали в течение 10 минут УФ лампой. Во время фототравления раствор перемешивали магнитной мешалкой.

После травления образец трижды промывали деионизированной водой, затем воду удаляли с поверхности струей азота.

Непосредственно перед напылением золота образцы промывали в течение 10 минут в концентрированной HCl. После этого образец промывали в струе деионизированной воды в течение 15 с. Воду удаляли с поверхности струей азота.

Затем на поверхность напыляли золотую пленку (методом испарения с помощью электронного прожектора в вакуумном испарителе Дентона, где электронный луч нагревает тигель с металлом). Согласно изобретению толщина металлической пленки имеет большое значение, предпочтительно она составляет от 70 нм до 80 нм. Конкретнее, две пластинки: контрольная (плоская) и испытуемая (с поверхностью, обработанной травлением описанным выше способом) одновременно (т.е. на том же аппарате и тем же технологическим процессом) покрываются золотой пленкой, и толщина 70-80 нм относится к золотой пленке, полученной на плоской контрольной пластинке.

Таким способом была изготовлена подложка для УПКР, соответствующая изобретению и содержащая пленку GaN.

Поверхности образцов GaN, покрытых золотой пленкой, исследовались методами сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), атомно-силовой микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния.

Топографические исследования полученных поверхностей проводились с помощью сканирующего микроскопа Zeiss Supra. Фотографическое документирование осуществлялось путем регистрации вторичных электронов с напряжением ускорения 2 кВ.

После обработки поверхности GaN травлением в соответствии с вариантом 1 на изображениях СЭМ (фиг. 1) видны нитевидные кристаллы длиной 1,5 мкм и диаметром 60 нм.

После покрытия шероховатой поверхности GaN пленкой золота толщиной приблизительно 70 нм на изображении СЭМ (Фиг. 2) видны поверхности с очень хорошо разработанной (загрубленной) структурой. Нитевидные кристаллы GaN, слипшиеся в характерные пучки благодаря силам поверхностного натяжения, покрыты золотом и образуют правильно распределенные конические структуры с диаметром основания 300-400 нм.

Вариант 2

Он аналогичен варианту 1 с тем исключением, что в качестве подложки использовалась пленка Al_0.03Ga_0.97N толщиной 3-8 мкм, полученная методом химического газового осаждения из металлоорганических соединений на сапфир. Таким способом была изготовлена подложка для УПКР, соответствующая изобретению и содержащая пленку Al_0.03Ga_0.97N.

Вариант 3

Он аналогичен варианту 1 с тем исключением, что травление было короче и длилось всего 5 минут. Таким образом была изготовлена подложка для УПКР, соответствующая изобретению и содержащая пленку GaN.

После обработки поверхности GaN травлением по варианту 3 изображения СЭМ (Фиг. 9) показали, что нитевидные кристаллы не соединены в пучки.

Для испытания подложек, соответствующих изобретению, использовались следующие пробные вещества: малахитовый зеленый (фирма Aldrich, 99.99%), p-аминотиофенол (Aldrich, 99.99%) и аминокислый L-аланин (Aldrich, 99.99%). Для этих систем определялись коэффициенты усиления (EF).

Спектры комбинационного рассеяния регистрировались конфокальным спектрометром комбинационного рассеяния с высоким разрешением InVia (фирма Ranishaw). Длина волны света возбуждения, применявшегося при измерениях, составляла 785 нм. Рассеянный свет анализировался в спектрометре с дифракционной решеткой, и его интенсивность для каждой энергии регистрировалась чувствительным детектором на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Увеличение объектива, фокусирующего лазерный пучок на образце, составляло 50x. Пространственное разрешение было лучше 1 мкм, а спектральное разрешение - около 1 см^-1. Мощность лазера, использовавшегося для измерений, составляла от 1 мВт до 3 мВт для измерений УПКР и 150 мВт при регистрации обычных спектров комбинационного рассеяния. Спектры регистрировались с временем накопления от 10 до 40 секунд. Внешний вид микроскопа (a) и его принципиальная схема (b) показаны на фиг. 3.

2 микролитра красителя - 10^-6M раствора малахитового зеленого в хлороформе - помещали на подложку для УПКР, соответствующую варианту изобретения 1. Затем подложку осушали и записывали 30 спектров комбинационного рассеяния в различных точках поверхности. На фиг. 4 показаны четыре случайным образом выбранных спектра малахитового зеленого, адсорбированного на поверхности подложки (b, c, d, e), и спектр самой подложки (a) (Фиг. 4). Спектры записывались в течение 10 с с использованием возбуждения на 785 нм мощностью 2,5 мВт.

В предпочтительном варианте изобретения спектры, записанные в различных точках подложки, идентичны. Они содержат сильные полосы на частотах 1618, 1370, 1180 и 441cm^-1, тогда как относительные интенсивности в каждом записанном спектре одинаковы.

В последующих экспериментах проверялась воспроизводимость спектров УПКР для различных подложек, полученных одним и тем же способом. Регистрировались спектры красителя, адсорбированного на 10 последовательных подложках для УПКР, таких как в варианте 1. На фиг. 5 показаны результаты, полученные для двух выбранных случайным образом подложек A и B, изготовленных способом, соответствующим изобретению.

Кроме того, определялся коэффициент усиления для малахитового зеленого, адсорбированного на подложке; для этого использовалось следующее выражение:

EF= (I_SERS/I_Raman)/(N_SERS/N_Raman),

где:

I_SERS и I_Raman - измеренные интегральные интенсивности полос в спектрах молекул малахитового зеленого, адсорбированных на покрытой золотом поверхности GaN (I_SERS), и в 10^-6M растворе малахитового зеленого (I_Raman);

N_SERS и N_Raman означают количества адсорбированных молекул малахитового зеленого, ”освещенных” светом лазера для получения спектра УПКР и спектра комбинационного рассеяния, соответственно.

I_SERS и I_Raman измерялись для полосы на частоте 1180 см^-1. N_SERS оценивалось исходя из покрытия поверхности малахитовым зеленым (1x10¹⁴ молекул/см²) [B. Pettinger, B. Ren, G. Picardi, R. Schuster, G.. Ertl, J. Raman Spectrosc. Том 36 выпуск 6-7, стр. 541- 550]. N_Raman означает количество молекул малахитового зеленого в исследуемом растворе, рассчитанное на основе приведенных выше определений.

В предпочтительном варианте подложки, соответствующей изобретению, оцененный коэффициент усиления (EF) для малахитового зеленого составляет 2.6x10⁶, и он на два порядка величины выше коэффициента усиления, определенного для имеющейся на рынке подложки для УПКР.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения молекулы p-аминотиофенола адсорбировали на подложку для УПКР и проверяли воспроизводимость спектров для одной поверхности и для двух разных поверхностей (фиг. 6 и 7).

Длина волны света, используемого при измерениях, составляла 785 нм, мощность лазера, воздействовавшего на образец - 3 мВт, а время накопления спектра - приблизительно 10 с.

Предпочтительно спектры молекул p-аминотиофенола, адсорбированных на подложке для УПКР из 10^-4M водного раствора p-аминотиофенола, зарегистрированные в различных точках поверхности, характеризуются воспроизводимостью (фиг. 6). Относительные интенсивности полос, характерных для p-аминотиофенола, на 840cm^-1, 1080cm^-1 и 1589cm^-1 имеют воспроизводимость 80% для всех зарегистрированных спектров.

Предпочтительно частоты и относительные интенсивности полос p-аминотиофенола воспроизводимы для четырех различных УПКР-подложек, изготовленных методом, соответствующим изобретению (фиг. 7). Для четырех подложек A, B, C и D (фиг. 7), изготовленных в соответствии с изобретением, воспроизводимость частот и относительных интенсивностей полос составляет выше 75%.

Для описанной выше системы (p-аминотиофенол, адсорбированный на подложке для УПКР) коэффициент усиления определялся с помощью следующего соотношения: EF= (I_SERS/I_Raman)/ (N_SERS/N_Raman) и составлял 1,4x10⁶.

I_SERS и I_Raman определялись для наиболее интенсивных полос, появляющихся на частоте 1589 см^-1, которые объясняются колебаниями ν_8a ароматического кольца p-аминотиофенола, в спектре УПКР и в обычном спектре комбинационного рассеяния, соответственно. Обычный спектр комбинационного рассеяния записывался для 10 мМ водного раствора p-аминотиофенола с использованием линии возбуждения 785 нм и мощности лазера 150 мВт. N_SERS и N_Raman соответствуют количеству молекул, возбужденных лазерным пучком при измерениях УПКР и во время записи обычного спектра комбинационного рассеяния для раствора p-аминотиофенола.

В другом предпочтительном варианте изобретения 2 микролитра 10^-4M водного раствора L-аланина помещали на подложку для УПКР, соответствующую варианту 1, подложку сушили и затем записывали спектр УПКР (фиг. 8). Спектры записывали при возбуждении на 785 нм, мощность лазера составляла 10 мВт, время накопления спектра - 5 минут (фиг. 8). В этом случае коэффициент усиления (EF) для L-аланина был 1,9x10⁴.

Аналогичные измерения проводились для подложек, соответствующих вариантам изобретения 2 и 3, и дали очень похожие результаты.

Подложка, соответствующая изобретению, характеризуется высоким коэффициентом усиления порядка 10⁶ и очень хорошей воспроизводимостью записанных спектров как для одной (не менее 80%), так и для нескольких подложек (не менее 75%).

Подложку, соответствующую изобретению, можно использовать для исследований методом УПРК большого количества разнообразных химических соединений (например, органических соединений, включая красители, пептиды, природные органические соединения, присутствующие в живых клетках, как, например, фенилаланин или ДНК, биологически активные вещества и биологические процессы, например, в исследованиях нейромедиаторов, включая катехол, допамин, эпинефрин, нуклеотиды, нуклеозиды, мембраны и цитохромы). Объект изобретения можно применять также для обнаружения и определения характеристик вирусов, изучения взаимодействия лекарств с белками и их посттрансляционных модификаций. Вследствие описанных выше свойств объект изобретения можно использовать как активную подложку при конструировании биодатчиков, что делает метод УПКР полезным аналитическим инструментом в медицинской диагностике.

Изобретение относится к подложке для исследований усиленного поверхностью комбинационного рассеяния. Подложка содержит полупроводниковую поверхность с формированными на ней нитевидными кристаллами, покрытыми пленкой металла, выбранного из группы, состоящей из серебра, золота, платины, меди и/или их сплавов. В качестве материала для полупроводниковой поверхности использован смешанный нитрид алюминия, галлия и индия. Каждый сформированный нитевидный кристалл имеет внутри линейный дефект. Плотность поверхности нитевидных кристаллов, имеющих внутри линейный дефект, составляет от 10⁸/см² до 10¹⁰/см², их длина нитевидных кристаллов составляет от 0,2 мкм до 2,0 мкм, а диаметр нитевидных кристаллов - от 40 нм до 150 нм. Отношение длины нитевидных кристаллов, имеющих внутри линейный дефект, к их диаметру составляет от 5 до 50, а толщина пленки металла на полупроводниковой поверхности составляет от 50 нм до 150 нм. 12 з.п. ф-лы, 9 ил., 3 пр.

1. Подложка для исследований методом усиленного поверхностью комбинационного рассеяния, содержащая полупроводниковую поверхность со сформированными на ней нитевидными кристаллами, покрытыми пленкой металла, выбранного из группы, состоящей из серебра, золота, платины, меди и/или их сплавов, отличающаяся тем, что в качестве материала для полупроводниковой поверхности используют смешанный нитрид алюминия, галлия и индия, а именно AlGaInN, или смешанный нитрид галлия и индия, а именно GaInN, или стехиометрический нитрид галлия GaN, а нитевидные кристаллы формированы на полупроводниковой поверхности таким образом, что каждый сформированный нитевидный кристалл имеет внутри линейный дефект, при этом плотность поверхности нитевидных кристаллов, имеющих внутри линейный дефект, составляет от 10⁸/см² до 10¹⁰/см², длина нитевидных кристаллов, имеющих внутри линейный дефект, составляет от 0,2 мкм до 2,0 мкм, диаметр нитевидных кристаллов, имеющих внутри линейный дефект, составляет от 40 нм до 150 нм, при этом отношение длины нитевидных кристаллов, имеющих внутри линейный дефект, к их диаметру составляет от 5 до 50, а толщина пленки металла на полупроводниковой поверхности составляет от 50 нм до 150 нм.

2. Подложка по п. 1, отличающаяся тем, что нитевидные кристаллы, имеющие внутри линейный дефект, соединены друг с другом своими удаленными от полупроводниковой поверхности концами с образованием конических пучков.

3. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что линейный дефект представляет собой дислокацию или инверсионную область.

4. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что толщина пленки металла на полупроводниковой поверхности составляет предпочтительно от 70 нм до 80 нм.

5. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что длина нитевидных кристаллов, имеющих внутри линейный дефект, составляет предпочтительно от 0,5 мкм до 1,5 мкм.

6. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что диаметр нитевидных кристаллов, имеющих внутри линейный дефект, предпочтительно от 50 нм до 70 нм.

7. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что отношение длины нитевидных кристаллов, имеющих внутри линейный дефект, к их диаметру предпочтительно от 10 до 30.

8. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что пленка металла на поверхности нитевидных кристаллов, имеющих внутри линейный дефект, представляет собой предпочтительно золото.

9. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что полупроводниковая поверхность стехиометрического нитрида галлия представляет собой поверхность в виде кристаллографической плоскости С полярности Ga, аналогичной кристаллографической плоскости с индексами Миллера (0001).

10. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что полупроводниковая поверхность стехиометрического нитрида галлия представляет собой поверхность в виде кристаллографической плоскости С полярности N, аналогичной кристаллографической плоскости с индексами Миллера (000-1).

11. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что молекулы, адсорбированные на ее поверхности, имеют коэффициент усиления EF выше 10⁴, предпочтительно выше 10⁶.

12. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что воспроизводимость спектров комбинационного рассеяния, записанных в различных точках одной и той же подложки, составляет не менее 80%.

13. Подложка по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что воспроизводимость спектров комбинационного рассеяния, записанных на различных подложках, составляет не менее 75%.