Способ изготовления плазмонного микротитрационного планшета Российский патент 2023 года по МПК G01N21/65 

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к технологиям структурирования пластин кремния и создания на них методами химической и лазерной обработки структур для исследования жидких сред методами гигантского комбинационного рассеяния и эквивалентных аналитических методов, например, усиленной фотолюминесценции, для медицинской и биодиагностики, диагностики с целью защиты окружающей среды, диагностических методов для химических технологий и т.п.

Современные тенденции исследований методами гигантского комбинационного рассеяния и развития указанных технологий характеризуются тем, что наряду с фундаментальными исследованиями все большее внимание уделяется прикладным исследованиям и разработкам. Для практических применений технологий гигантского комбинационного рассеяния требуется разработка дешевых и доступных методов создания подложек с большим количеством "горячих точек", которые обеспечивали бы соответствующую чувствительность и воспроизводимость регистрируемых сигналов. Кроме того, на таких подложках должна быть обеспечена эффективная доставка исследуемых молекул аналита к поверхности плазмонной структуры, их локализация и однородность взаимодействия с плазмонной средой.

В аналитических исследованиях и клинической диагностике широкое применение нашли микротитрационные планшеты. Известно устройство [1] химически и биологически реактивного микропланшета для спектроскопии комбинационного рассеяния в котором ячейки планшета, а именно дно и/или его стенки покрыты слоем дендритов металлов и/или оксидов металлов, которые, в свою очередь, покрыты металлами и/или оксидами металлов, предпочтительно благородных, золото и серебро, для формирования структур для регистрации гигантского комбинационного рассеяния и эквивалентных аналитических методов. Недостатком указанного устройства является отсутствие средств/способов концентрирования/локализации аналита при проведении измерений.

Известен способ создания подложек [2], получивших название скользкие покрытые жидкостью пористые для гигантского комбинационного рассеяния (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces-Enhanced Raman Scattering -SLIPSERS), в которых для формирования подложки создается скользкая покрытая жидкостью поверхность и которые обеспечивают за счет своих гидрофобных свойств концентрацию аналита на поверхности. Недостатком указанного метода является то, что при его реализации не обеспечивается локализация аналита и для проведения измерений приходится использовать средства картирования.

Известен способ изготовления дендритного золотого чипа со смешанной структурой супергидрофобного/супергидрофильного микромассива [3], в котором формируются отверстия микроматрицы с супергидрофильными дугами окружности на поверхности супергидрофобного дендритного золотого чипа оксида индия-олова с использованием машины для лазерного травления для получения дендритного золотого чипа со смешанным рисунком супергидрофобной/ супергидрофильной микроматрицы. При этом обеспечивается локализация капель аналита на чипе. Недостатком указанного метода является то, что используется диаметр дуги окружности 2 мм, что является слишком большой величиной для измерений методом гигантского комбинационного рассеяния (см. ниже).

Известно изобретение [4], направленное на создание оптического датчика с многослойной плазмонной структурой для усовершенствованного обнаружения химических групп посредством SERS. Датчик включает в себя подложку, плазмон-резонансное зеркало, сформированное на чувствительной поверхности подложки, слой плазмон-резонансных частиц, размещенный поверх зеркала, и слой оптически прозрачного диэлектрика, разделяющий зеркало и слой частиц. Слой частиц образован периодической матрицей плазмон-резонансных частиц.

Недостатком данного изобретения является сложность структуры, заключающаяся в использовании для увеличения «горячих пятен» комбинации из непрерывного плазмон-резонансного материала, именуемого "плазмонным зеркалом", и, по меньшей мере, одного слоя частиц, образованного 1-мерной или 2-мерной периодической матрицей плазмон-резонансных частиц (или другими регулярными наноструктурами), в котором могут возбуждаться локализованные плазмоны (LP).

Известно изобретение [5] направленное на создание способа детектирования изменения состава исследуемой жидкой или газообразной среды. Сенсорный элемент, созданный в соответствии с этим способом, представляет собой многослойный наноструктурированный материал с сенсорной поверхностью, выполненный в виде дифракционной решетки с периодом от 300 до 3000 нм, обеспечивающей возможность возбуждения на границе раздела сенсорная поверхность/исследуемая среда (диэлектрик) поверхностных плазмон-поляритонов. Наноструктурированный материал включает последовательно расположенные полимерную подложку, по крайней мере один слой из ферромагнитного материала и один слой из благородного металла.

Недостатком данного изобретения является сложность, заключающаяся в необходимости возбуждения и усиления плазмон-поляритонов в структуре на основе дифрационной решетки и ферромагнитного материала. Регистрирация интенсивности отраженной от поверхности сенсорного элемента электромагнитной волны осуществляется при помощи фотоэлектронного умножителя и по сдвигу положения минимума резонансной кривой относительно шкалы длины волны фиксируются изменения коэффициента преломления исследуемой среды, в результате чего делают вывод (судят) об изменении состава исследуемой среды. При этом отсутствуют возможности анализа состава сред сложного состава.

Известен способ [6] изготовления сенсора с плазмонной структурой для определения химических веществ низких концентраций, который включает создание на химически очищенном кварцевом стекле (марки КУ-1) многослойной плазмонной структуры, содержащей слой наночастиц серебра. Данный способ по числу совпадающих существенных признаков является прототипом предлагаемого технического решения.

Недостатком данного способа является отсутствие возможностей концентрации и локализации аналита на плазмонной структуре, что существенно снижает возможности определения низких концентраций аналитов.

Технической задачей способа является создание устройства, позволяющего обеспечить сопоставление пятна диагностируемого излучения на образце с размерами гидрофильного кольца, ограничивающего площадь, на которой концентрируется аналит, что делает возможным проведение диагностики на четко заданном участке геометрической поверхности и, вследствие этого, получение более стабильных и воспроизводимых результатов при проведении измерений гигантского комбинационного рассеяния.

Технический результат изобретения состоит в создании доступного, т.е. дешевого, легкого в изготовлении и эксплуатации устройства, обеспечивающего возможности для проведения различных типов диагностики методом гигантского комбинационного рассеяния, в частности, проведение биомедицинских анализов.

Поставленная техническая задача и результат достигаются за счет того, что в способе изготовления плазмонного микротитрационного планшета, включающим создание многослойной комплексной плазмонной структуры на подложке, методом лазерной абляции на подложке создают заранее выбранное количество ячеек, каждая из которых предназначена для проведения одного анализа и представляет собой углубление глубиной 0,3-0,6 мм и поперечными размерами n×n,

где n=1,5-3 мм,

а затем выполняют следующую последовательность операций:

подложку очищают в ультразвуковой ванне с использованием деионизованной воды и этанола, очищенную подложку иммерсируют на ~10 минут в 5% раствор HF для удаления оксидного слоя и генерации поверхности с Н-окончаниями; подложку помещают на ~1-2 минуты в водный раствор, содержащий (вес.) 1,0-1,5% AgNO₃, 0,5-1,0% HF и 0,2-0,25% H₂O₂, что обеспечивает покрытие пластины наночастицами серебра и формирование дендритов серебра;

поверхность подложки методом центрифугирования покрывают тонкой пленкой фторсодержащей жидкости, например, перфторгептаном, обеспечивая создание на поверхности ячеек скользкой покрытой жидкостью пористой поверхности, обладающей супергидрофобными свойствами;

в центре каждой ячейки методом лазерной абляции создают кольцо с диаметром ≥ диаметра апертуры спектрометра комбинационного рассеяния (≥50-100 мкм), которое является гидрофильным.

Существо изобретения поясняется на фигурах:

Фиг. 1 - а) схема и б) фотография прототипа плазмонного планшета 2×3 ячеек: 1 кремниевая пластина, 2 - ячейки для защиты создаваемой структуры, 3 - гидрофильные окружности;

Фиг. 2а) дендриты серебра на поверхности кремниевой пластины и б) схема высыхания капель аналита на гидрофильных окружностях.

Фиг. 3 а) спектр гигантского комбинационного рассеяния 16 мкМ/л водного раствора Родамина 6Ж на предлагаемой структуре и б) спектр гигантского комбинационного рассеяния 3 мкМ/л водного раствора 4-аминотиофенола.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом:

1) Из пластины кремния со стандартными для микроэлектроники характеристиками с помощью лазерного излучения вырезается подложка для создания на ней планшета (далее - подложка). Размеры подложки выбираются таким образом, чтобы разместить на ней необходимое количество ячеек.

2) Методом лазерной абляции на подложке создается выбранное количество ячеек. Каждая ячейка предназначена для проведения одного анализа и представляет собой углубление глубиной 0,3-0,6 мм и поперечными размерами n×n, где n=1,5-3 мм; углубление предназначено для защиты создаваемой структуры от различных воздействий, в первую очередь, механических.

3) Подложки очищают в ультразвуковой ванне с использованием деионизованной воды и этанола. Затем очищенные подложки иммерсируют на -10 минут в 5% раствор HF для удаления оксидного слоя и генерации поверхности с Н-окончаниями.

4) Подложки помещают на ~1-2 минуты в водный раствор, содержащий (вес.) 1,0-1,5% AgNO₃, 0,5-1,0% HF и 0,2-0,25% Н₂О₂. При этом поверхность подложек покрывается беловатым оттенком, что означает, что поверхность кремниевой пластины покрывается с достаточной плотностью наночастицами серебра и формируются дендриты серебра.

5) Поверхность подложки методом центрифугирования покрывают тонкой пленкой фторсодержащей жидкости, например, перфторгептаном. При этом на поверхности ячеек создается скользкая покрытая жидкостью пористая поверхность (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces - SLIPS), обладающая супергидрофобными свойствами.

6) В центре каждой ячейки методом лазерной абляции создают кольцо с диаметром>диаметра апертуры спектрометра комбинационного рассеяния (≥50-100 мкм). Это кольцо является гидрофильным.

Измерения в области гигантского комбинационного рассеяния обычно проводят с использованием микроспектрометров, которые имеют апертурную диафрагму порядка десятков микрометров. В предлагаемом способе сопоставление пятна диагностируемого излучения на образце с размерами гидрофильного кольца, ограничивающего площадь, на которой концентрируется аналит, обеспечивает проведение диагностики на четко заданном участке геометрической поверхности. Это позволяет получить более стабильные и воспроизводимые результаты при проведении измерений гигантского комбинационного рассеяния.

Создание скользкой покрытой жидкостью пористой поверхности (Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces - SLIPS), обладающей супергидрофобными свойствами, и формируемого лазерным излучением гидрофильного кольца на ней, ограничивающего площадь, на которой концентрируется аналит.увеличивает чувствительность способа и облегчает проведение измерений.

При использовании планшета, созданного предлагаемым способом, измерения проводят следующим образом:

1) Капля аналита объемом 2-3 мкл наносят на гидрофильное кольцо.

2) Капля «цепляется» за поверхность гидрофильного кольца и высыхает на поверхности, окружаемой кольцом.

3) Измерения сигнала комбинационного рассеяния проводят с поверхности, окружаемой гидрофильным кольцом.

Пример реализации изобретения.

Автором были проведены испытания созданного указанным способом плазмонного микротитрационного планшета. Был создан планшет из 2×3 ячеек для регистрации гигантского комбинационного рассеяния. При этом толщина пленок дендрита серебра составила 15-30 мкм. В качестве тестируемых аналитов были выбраны краситель Родамин 6Ж и 4-аминотиофенол.

На фиг. 3а представлен спектр гигантского комбинационного рассеяния 16 мкМ/л водного раствора Родамина 6Ж при возбуждении лазером с длинной волны 532 нм. Измерения проводились с использованием микроспектрометра Nicolet Almega XR (Thermo Fisher Scientific, USA). Использовался объектив 10 х, время накопления сигнала составляло 10 секунд (сигнал усреднялся по 10 измерениям). Каплю аналита объемом 2-3 мкл наносили на подложку из стандартного дозатора, в качестве которого был применен дозатор фирмы Eppendorf с гидрофобными наконечниками, постепенно капля высыхала.

На фиг. 3б представлен спектр гигантского комбинационного рассеяния 3 мкМ водного раствора 4-аминотиофенола, снятый в тех же самых условиях.

Таким образом, проведенные испытания показали, что предлагаемый плазмонный планшет является «дружественным», т.е. дешевым, легким в изготовлении и эксплуатации устройством, обеспечивающим возможности для проведения различных типов диагностики методом гигантского комбинационного рассеяния, в частности, проведение биомедицинских анализов.

Источники информации.

1. US 2021/0102899 A1»Chemically and Biologically Reactive Microplate Assembly and Manufacture Thereof for Raman Spectroscopy and Other Applications» МПК G01N 21/65 G01N 33/483. опубл. 08.04.2021.

2. S. Yang, X. Dai, B.B. Stogin, T.-S. Wong. Ultrasensitive surface-enhanced Raman scattering detection in common fluids. Proc. Acad. Sci. USA, 2016, Vol. 113, P. 268-273

3. CN 110711610 B, «Preparation method of super-hydrophobic/super-hydrophilic mixed-pattern microarray dendritic gold chip», МПК B01L 3/00; B81C 1/00; B82Y 30/00; B82Y 40/00, опубл. 2020-01-21

4. RU 2.361.193, «Оптический датчик с многослойной плазмонной структурой для усовершенствованного обнаружения химических групп посредством sers», МПК G01N 21/65, В82В 1/00. опубл. 10.07.2009.

5. RU №2637364, «Сенсорный элемент и способ детектирования изменения состава исследуемой жидкой или газообразной среды» МПК G01N 21/55, опубл. 04.12.2017.

6. RU 2720075 «Оптический сенсор с плазмонной структурой для определения химических веществ низких концентраций и способ его получения», МПК C01N 21/65, B82Y 15/00, опубл. 23.04.2020.

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к технологиям структурирования пластин кремния и создания на них методами химической и лазерной обработки структур для исследования жидких сред методами гигантского комбинационного рассеяния и эквивалентных аналитических методов. Технической задачей способа является создание устройства, позволяющего обеспечить получение стабильных и воспроизводимых результатов при проведении измерений гигантского комбинационного рассеяния. Задача достигается в результате того, что в способе изготовления плазмонного микротитрационного планшета, включающем создание многослойной комплексной плазмонной структуры на подложке, методом лазерной абляции на подложке создают заранее выбранное количество ячеек, в центре каждой ячейки методом лазерной абляции создают кольцо с диаметром ≥ диаметра апертуры спектрометра комбинационного рассеяния (≥50-100 мкм), которое является гидрофильным. 6 ил.

Способ изготовления плазмонного микротитрационного планшета, включающий создание многослойной комплексной плазмонной структуры на подложке, отличающийся тем, что методом лазерной абляции на подложке из кремния создают заранее выбранное количество ячеек, каждая из которых предназначена для проведения одного анализа и представляет собой углубление глубиной 0,3-0,6 мм и поперечными размерами n×n, где n=1,5-3 мм, а затем выполняют следующую последовательность операций: подложку очищают в ультразвуковой ванне с использованием деионизованной воды и этанола, очищенную подложку иммерсируют на 10-15 минут в 5% раствор HF для удаления оксидного слоя и генерации поверхности с Н-окончаниями; подложку помещают на ~1-2 минуты в водный раствор, содержащий (вес.) 1,0-1,5% AgNO₃, 0,5-1,0% HF и 0,2-0,25% Н₂O₂, что обеспечивает покрытие пластины наночастицами серебра и формирование дендритов серебра; поверхность подложки методом центрифугирования покрывают тонкой пленкой фторсодержащей жидкости, например, перфторгептаном, обеспечивая создание на поверхности ячеек скользкой, покрытой жидкостью пористой поверхности, обладающей супергидрофобными свойствами; в центре каждой ячейки методом лазерной абляции создают кольцо с диаметром ≥ диаметра апертуры спектрометра комбинационного рассеяния (≥50-100 мкм), которое является гидрофильным.