КАРТРИДЖ ДЛЯ СБОРА И АНАЛИЗА МЕЛКОДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2024 года по МПК G01N1/02 G01N1/28 G01N21/65 

Изобретение относится к области технологии создания структурированных материалов для сверхчувствительной диагностики состава и строения органических веществ методом SERS-спектроскопии (от англ. SERS - усиленное поверхностью комбинационное (рамановское) рассеяние света).

Сверхчувствительный к определению отдельных компонент исследуемого вещества метод комбинационного рассеяния света по своей природе низкоинтенсивный, что ограничивает сферу его применений до исследований в научных лабораториях.

Структурированные SERS-активные подложки позволяют на несколько порядков повысить интенсивность регистрируемого сигнала комбинационного рассеяния света, что дает возможность исследовать вещества низкой концентрации, вплоть до единичных молекул.

Известен картридж для сбора и анализа мелкодисперсных частиц, рассеиваемых в воздухе, содержащий корпус и установленное в нем средство для улавливания мелкодисперсных частиц, имеющее возможность поверхностного усиления комбинационного рассеяния света (см. RU 2718911 С2, МПК G01N 1/22, опубл. 15.04.2020 [1]).

Упомянутое средство представляет собой фильтровальную пластину, выполненную, например, из нитрида кремния или оксида алюминия, с множеством фильтровальных пор, края которых образуют структуру усиления, либо фильтровальную мембрану, выполненную, например, из поликарбоната, со структурой усиления, образованной частицами, расположенными на поверхности фильтровальной мембраны или внедренными в нее. Как следствие, упомянутое средство является одновременно фильтрующим элементом и SERS-активной подложкой.

Недостатки известного картриджа состоят в том, что в нем, в результате конструктивных особенностей выполнения средства для улавливания мелкодисперсных частиц, не обеспечивается усиление SERS-сигнала до уровня, позволяющего провести исследование мелкодисперсных частиц с максимальной степенью достоверности. Кроме этого, размер фильтрующей области упомянутого средства незначителен, что затрудняет его использование по прямому назначению.

В качестве частиц, образующих структуру усиления в фильтровальных мембранах, как правило, используются наночастицы золота или серебра (см., например, статью Lynn R. Terry et al. «Applications of surface-enhanced Raman spectroscopy in environmental detection, Anal. Sci. Adv., 2022, 3, pp. 113-145 [2]), что, кроме прочего, усложняет и удорожает изготовление подобных средств для улавливания мелкодисперсных частиц.

Раскрытый в [1] картридж принят в качестве ближайшего аналога заявленного картриджа.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании картриджа для сбора и анализа мелкодисперсных частиц, позволяющего провести исследование мелкодисперсных частиц, содержащихся в воздухе или текучей среде, с максимальной степенью достоверности.

При этом достигается технический результат, заключающийся в обеспечении многократного усиления SERS-сигнала без снижения качества улавливания мелкодисперсных частиц.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания картриджа для сбора и анализа мелкодисперсных частиц, содержащего корпус и установленное в нем средство для улавливания мелкодисперсных частиц, имеющее возможность поверхностного усиления рамановского рассеяния света. Картридж снабжен по меньшей мере одним средством, предназначенным для деформации средства для улавливания мелкодисперсных частиц, выполненного в виде основы, представляющей собой пленку из полимерного материала толщиной 10-20 мкм с массивом сквозных одинаковых цилиндрических каналов, покрытой слоем плазмонного металла толщиной 50-200 нм, при степени деформации 10-15 % с образованием упомянутом слое плазмонного материала микротрещин.

В одном из частных вариантов, упомянутая основа представляет собой трековую мембрану.

В другом частном варианте, ширина каждой из упомянутых микротрещин составляет 4-7 нм.

В еще одном частном варианте, упомянутое средство, предназначенное для деформации средства для улавливания мелкодисперсных частиц, выполнено с возможностью его растяжения.

На фиг. 1 показано схематичное изображение заявленного картриджа в разобранном состоянии, согласно частному варианту.

На фиг. 2 показано схематичное изображение средства для улавливания мелкодисперсных частиц.

На фиг. 3а-3d показана последовательность использования заявленного картриджа.

Заявленный картридж, показанный на фиг. 1, содержит корпус (1), подвижный промежуточный элемент (2), средство для улавливания мелкодисперсных частиц (3) и две прижимные пластины (4), фиксирующие его на промежуточном элементе (2) с помощью винтов (5).

Заявленный картридж изготавливают и используют следующим образом.

1. Получают основу (6), представляющую собой пленку из полимерного материала (например, поликарбоната) толщиной 10-20 мкм с массивом сквозных, по существу, одинаковых цилиндрических каналов (7).

Использование пленки толщиной менее 10 мкм не обеспечивает требуемую жесткость основы (6). Использование пленки толщиной более 20 мкм вызывает сложности с образованием сквозных каналов (7), что, как следствие, не дает гарантированной однородности их структуры и в результате затрудняет использование средства для улавливания мелкодисперсных частиц (3) по прямому назначению.

В качестве основы (6) может быть использована коммерчески доступная трековая мембрана, изготовленная с использованием ионно-трековой технологии (см., например, статью Apel P.Y., Dmitriev S.N. «Micro- and nanoporous materials produced using accelerated heavy ion beams», Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2011, т. 2, №1 [3]).

2. Наносят (включая, но не ограничиваясь, посредством вакуумного напыления) на поверхность одной из больших сторон основы (6) плазмонный металл (преимущественно, золото или серебро) с образованием на ней слоя (8) толщиной 50-200 нм.

Образование слоя (8) толщиной менее 50 нм нецелесообразно из-за невозможности обеспечения его однородности. Кроме этого, такой слой полупрозрачен, и в спектрах исследуемых частиц могут проявляться спектры основы (6) из полимерного материала.

Образование слоя (8) толщиной более 200 нм нецелесообразно из-за того, что такой слой будет отслаиваться в процессе эксплуатации.

3. Полученное таким образом средство для улавливания мелкодисперсных частиц (3) (см. фиг. 2) размещают в корпусе (1) заявленного картриджа (см. фиг. 3а) стороной основы (6), на которой образован слой (8) плазмонного металла, вверх на промежуточном элементе (2) и фиксируют прижимными пластинами (4) при помощи винтов (5).

Далее (см. фиг. 3b) подвижный промежуточный элемент (2) перемещают относительно продольной оси корпуса (1) до тех пор, пока его выступ (9) не попадет в паз (10) корпуса и не зафиксирует промежуточный элемент (2) в положении, обеспечивающем деформацию (а, конкретно, двухосное продольное растяжение) средства для улавливания мелкодисперсных частиц (3), в результате которого в слое (8) плазмонного металла происходит образование микротрещин.

Промежуточный элемент (2) с выступом (9) в совокупности с пазом (10) корпуса образует средство, предназначенное для деформации средства для улавливания мелкодисперсных частиц (3).

Допустимо любое иное выполнение подобного средства, а также использование более одного подобного средства, с присущим ему (им) функциональным назначением -деформация средства для улавливания мелкодисперсных частиц (3), приводящей к образованию микротрещин в слое (8) плазмонного металла.

Под «микротрещинами» понимают трещины микроскопических или субмикроскопических размеров, соизмеримых с элементами микроструктуры (см. Энциклопедический словарь по металлургии, Москва, «Интермет Инжиниринг», 2000 [4]).

Экспериментально установлено, что по краям микротрещин формируются т.н. «горячие точки» («hot spots») - области, в которых SERS-сигнал усиливается многократно (см. статью Kovalets N.P., Kozhina Е.Р. et al. «Towards single molecule surface-enhanced raman scattering with novel type of metasurfaces synthesized by crack-stratching of metallized track membranes», J. Chem. Phys., 2021 [5]), что позволяет использовать полученную структуру в качестве структуры усиления, а само подобное средство для улавливания мелкодисперсных частиц (3) в качестве SERS-активной подложки.

Ширина образующихся микротрещин зависит от величины деформирующей нагрузки, прикладываемой к средству для улавливания мелкодисперсных частиц (3). Максимальное усиление SERS-сигнала происходит при ширине каждой из микротрещин 4-7 нм (что соответствует степени деформации 10-15 %).

При такой степени деформации структура цилиндрических каналов (7) не претерпевает существенных изменений, что позволяет обеспечить гарантированное улавливание мелкодисперсных частиц в случаях, когда это является обязательным условием эксплуатации заявленного картриджа (в частности, при фильтрации питьевой воды).

4. Заявленный картридж помещают в фильтрующую ячейку, предназначенную для фильтрации жидкости, высаживания клеточных культур или выделения летучих органических соединений. При этом средство для улавливания мелкодисперсных частиц (3) размещают стороной основы (6), на которой образован слой (8) плазмонного металла, навстречу потоку частиц (см фиг. 3с).

5. Осуществляют сбор мелкодисперсных частиц, после чего заявленный картридж извлекают из фильтрующей ячейки, и со средства для улавливания мелкодисперсных частиц (3) снимают деформирующую нагрузку путем освобождения выступа (9) из паза (10) корпуса (1) (см. фиг. 3d).

В результате картридж возвращается в исходное положение (фиг. 3е).

Формирование (в результате образования микротрещин в слое (8) плазмонного металла) структуры усиления непосредственно перед использованием заявленного картриджа позволяет избежать проблем снижения усиления SERS-сигнала при долговременном хранении средства для улавливания мелкодисперсных частиц (3) до его использования из-за сульфидирования слоя (8) плазмонного металла.

При этом, в случае исходного растяжения основы (6), по истечение некоторого промежутка времени, происходит ее частичное восстановление (сжатие), в результате чего микротрещины в слое (8) плазмонного материала смыкаются. При этом мелкодисперсные частицы оказываются зажатым внутри микротрещин, что приводит к дополнительному усилению SERS-сигнала.

6. Помещают заявленный картридж в держатель рамановского микроскопа для снятия спектров и анализа собранных мелкодисперсных частиц.

В альтернативном варианте, заявленный картридж может быть совмещен компактным рамановским спектрометром, что позволит снимать в режиме «онлайн» или с некоторой периодичностью спектры до появления интересующих пиков (например, в случае появления в атмосфере определенных химических веществ). После появления интересующих пиков можно вернуть картридж в исходное положение, что может дать дополнительное усиление SERS-сигнала.

Заявленный картридж для сбора и анализа мелкодисперсных частиц в связи с особенностями его изготовления и использования позволяет обеспечить максимальное усиление SERS-сигнала, что, в свою очередь, позволяет, провести исследование мелкодисперсных частиц с максимальной степенью достоверности без снижения качества их улавливания.

Изобретение относится к области технологии создания структурированных материалов для сверхчувствительной диагностики состава и строения органических веществ методом SERS-спектроскопии. Раскрыт картридж для сбора и анализа мелкодисперсных частиц, содержащий корпус и установленное в нем средство для улавливания мелкодисперсных частиц, имеющее возможность поверхностного усиления рамановского рассеяния света. При этом он снабжен по меньшей мере одним средством, предназначенным для деформации средства для улавливания мелкодисперсных частиц, выполненного в виде основы, представляющей собой пленку из полимерного материала толщиной 10-20 мкм с массивом сквозных, по существу одинаковых цилиндрических каналов, покрытой слоем плазмонного материала толщиной 50-200 нм, при степени деформации 10-15 % с образованием в упомянутом слое плазмонного материала микротрещин. Изобретение обеспечивает многократное усиление SERS-сигнала без снижения качества улавливания мелкодисперсных частиц. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Картридж для сбора и анализа мелкодисперсных частиц, содержащий корпус и установленное в нем средство для улавливания мелкодисперсных частиц, имеющее возможность поверхностного усиления рамановского рассеяния света, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним средством, предназначенным для деформации средства для улавливания мелкодисперсных частиц, выполненного в виде основы, представляющей собой пленку из полимерного материала толщиной 10-20 мкм с массивом сквозных, по существу одинаковых цилиндрических каналов, покрытой слоем плазмонного материала толщиной 50-200 нм, при степени деформации 10-15 % с образованием в упомянутом слое плазмонного материала микротрещин.

2. Картридж по п. 1, отличающийся тем, что упомянутая основа представляет собой трековую мембрану.

3. Картридж по п. 1 или 2, отличающийся тем, что ширина каждой из упомянутых микротрещин составляет 4-7 нм.

4. Картридж по п. 1 или 2, отличающийся тем, что упомянутое средство, предназначенное для деформации средства для улавливания мелкодисперсных частиц, выполнено с возможностью его растяжения.