Введение к работе
Актуальность темы
Лазерный метод биодетектирования, основанный на спектроскопии
поверхностного плазмонного резонанса (ППР), был предложен более 30 лет назад
и на данный момент стал одним из основных исследовательских инструментов
современных биохимических лабораторий [1]. Возможность применения
биосенсоров на основе ППР была продемонстрирована в таких областях, как
разработка лекарственных средств, медицинская диагностика, ветеринария,
контроль качества продуктов питания и мониторинг состояния окружающей среды
[2, 3]. Одним из основных преимуществ данного метода является возможность
изучения кинетики химических и биологических процессов, а именно определение
констант ассоциации и диссоциации биохимических реакций. Однако для работы с
малыми концентрациями органических и неорганических веществ, а также
исследования взаимодействий между молекулами, массы которых могут
отличаться в сотни раз, требуется увеличение чувствительности
биодетектирования.
Перспективным решением данной проблемы является модификация детектирующей поверхности спектрометров ППР. В частности, повысить чувствительность можно выбором плазмонной структуры, например, включая в нее пленки из различных металлов [4], а также диэлектрические пленки с высоким показателем преломления [5]. Подходящими для применений в плазмонике свойствами обладают такие металлы, как золото, серебро, медь и алюминий [6]. В методе биодетектирования, основанном на спектроскопии ППР, преимущественно используются золотые пленки, что обусловлено относительно низкими оптическими потерями и устойчивостью золота к окислению. Медь по плазмонным свойствам не уступает золоту, однако является материалом, совместимым с используемыми в микроэлектронике технологиями [7]. Это дает преимущества при разработке компактных плазмонных биосенсоров, однако необходимо обеспечить химическую стабильность медных компонент в ходе выполнения эксперимента. Повысить чувствительность биодетектирования также можно подбором оптимального связующего слоя, при помощи которого биомолекулы будут адсорбироваться на поверхность биосенсора. На данный момент практически все коммерческие биосенсоры на основе спектроскопии ППР используют 2 типа связующих слоев [8]. Первый тип основан на самособирающихся слоях алифатических соединений, включающих серосодержащие функциональные группы. Второй дополнительно включает пленку гидрогеля толщиной до 200 нм.
Повысить чувствительность биосенсоров на основе спектроскопии ППР можно, используя в качестве связующего слоя двумерные материалы - графен и его производные, уже зарекомендовавшие себя в биодетектировании [9]. Было показано, что структуры на основе этих материалов, имеют рекордные значения площади поверхности, которая, в свою очередь, может использоваться для адсорбции биомолекул [10]. Иммобилизация на поверхность графена и оксида графена может быть реализована с использованием стэкинг взаимодействия, а
также ковалентного присоединения к кислородсодержащим группам оксида графена. При этом химические и оптические свойства оксида графена могут быть модифицированы его химическим восстановлением, в результате чего может быть подобран оптимальный для данной конструкции биосенсора показатель преломления связующего слоя.
Достижение рекордных значений чувствительности биодетектирования
может обеспечить использование наномеханических резонаторов [11].
Существующие на данный момент способы преобразования сигнала в таких
биосенсорах, а также способы возбуждения механического резонанса основаны на
использовании электродвижущего, магнитодвижущего, теплового,
пьезоэлектрического и пьезорезистивных методов [12]. Однако практическая реализация устройств на основе данных методов ограничена необходимостью использования дорогостоящего научного оборудования, низкой эффективностью при использовании высокочастотных механических резонаторов, выделяемой в ходе измерений тепловой энергией, которая может повлиять на биохимические процессы, а также сложностью изготовления наномеханических резонаторов на основе многослойных структур. Решить данные проблемы может использование полностью оптических методов преобразования сигнала и возбуждения механического резонанса.
Цель диссертационной работы. Целью работы является разработка
высокочувствительных и селективных лазерных методов биодетектирования,
позволяющих исследовать кинетику межмолекулярных взаимодействий,
определять малые концентрации органических и неорганических веществ в растворах и газах, а также детектировать единичные молекулы.
Научная новизна работы. Впервые предложен селективный метод биодетектирования, основанный на спектроскопии ППР с использованием связующих слоев из оксида графена и однослойного графена.
Методом спектроскопической эллипсометрии экспериментально определен показатель преломления тонких пленок оксида графена в диапазоне длин волн от 400 до 800 нм.
Получена зависимость чувствительности биодетектирования на основе спектроскопии ППР со связующим слоем из оксида графена к изменению показателя преломления среды от толщины связующего слоя. Показано, что использование связующих слоев из оксида графена позволяет достичь более высоких значений чувствительности биодетектирования на основе спектроскопии ППР по сравнению с использованием связующих слоев из графена при толщине связующих слоев более 10 нм.
Впервые измерена адсорбционная емкость связующих слоев из оксида графена для биодетектирования на основе спектроскопии ППР. Проведено сравнение полученной адсорбционной емкости с соответствующими величинами для связующих слоев из однослойного графена и карбоксиметилированного декстрана.
Впервые предложен селективный метод биодетектирования на основе
спектроскопии ППР в тонких медных пленках.
Теоретически и экспериментально определена зависимость
чувствительности к изменению показателя преломления среды для спектроскопии ППР с использованием пленок меди, покрытых диэлектрическими слоями оксидов кремния и алюминия, от толщин соответствующих диэлектрических слоев.
Предложена схема компактного оптомеханического биосенсора с полностью оптическим возбуждением механического резонанса и снятием сигнала на основе плазмонного волновода.
Проведено численное моделирование характеристик возбуждаемого
механического резонанса и снимаемого сигнала оптомеханического биосенсора на
основе фотонных и плазмонных волноводов. На основе данных численного
моделирования приведены оценки чувствительности оптомеханического
биосенсора.
Основные методы исследования. В работе использовались аналитические
методы и численное компьютерное моделирование. Основными
экспериментальными методами и технологиями диссертационной работы являются: спектроскопия ППР, спектроскопическая эллипсометрия, атомно-силовая и электронная микроскопии, электронно-лучевое распыление, перенос однослойного графена на различные подложки с использованием полимерной матрицы.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Метод высокочувствительного и селективного анализа межмолекулярных взаимодействий с использованием спектроскопии ППР со связующим слоем на основе оксида графена обеспечивает адсорбцию белковых молекул до 3,5 нг/мм2.
-
Метод высокочувствительного и селективного анализа межмолекулярных взаимодействий с использованием спектроскопии ППР со связующим слоем на основе однослойного графена обеспечивает адсорбцию белковых молекул до 1,1 нг/мм2.
-
Метод биодетектирования, основанный на спектроскопии ППР в медных пленках, покрытых диэлектрическими пленками оксида алюминия, обеспечивает чувствительность детектирования изменений показателя преломления среды не хуже 400 градусов на единицу показателя преломления.
-
Оптомеханическая система, использующая плазмонный волновод для возбуждения механического резонанса и его регистрации, позволяет детектировать единичные молекулы массой от 4 кДа в вакууме и от 65 кДа в атмосфере при ширине полосы частот измерений 100 Гц.
Практическая значимость работы. Разработанные биосенсорные чипы на основе графена и оксида графена совместимы с большинством коммерческих биосенсоров на основе спектроскопии ППР, которые в настоящее время используются в научных и фармацевтических исследованиях, и имеют чувствительность, как минимум, в три раза выше, чем у соответствующих коммерческих аналогов. Биосенсорные чипы на основе меди открывают
перспективы для миниатюризации плазмонных биосенсоров за счет возможности их изготовления с использованием развитых технологий микроэлектроники. Оптомеханические биосенсоры на основе фотонных и плазмонных волноводов должны найти применение в высокоточной медицинской диагностике заболеваний на ранних стадиях, требующих обнаружения малых концентраций биомаркеров, а также в исследованиях кинетики химических взаимодействий с участием единичных молекул.
Апробация и реализация результатов работы
Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на следующих профильных научных конференциях:
Carbonhagen 2016 - 7th Symposium on Carbon & Related Nanomaterials, Copenhagen, Denmark, 2016.
Developments in Protein Interaction Analysis, Berlin, Germany, 2016.
European Graphene Forum, Paris, France, 2016 (устный доклад).
Biosensors 2016 - 26th Anniversary World Congress on Biosensors, Gothenburg, Sweden, 2016 (устный доклад).
Young Pharmacy – the Potential of the Future, St. Petersburg, Russia, 2016 (устный доклад).
Graphene 2016 - the 6th edition of Graphene Conference series, the largest European Event in Graphene and 2D Materials, Genova, Italy, 2016 (устный доклад).
SPIE Photonics Europe, Brussels, Belgium, 2016 (устный доклад).
12th International Conference Advanced Carbon NanoStructures, Saint-Petersburg, Russia, 2015 (устный доклад).
4th International Conference on Bio-Sensing Technology, Lisbon, Portugal, 2015.
Biosensors 2014 – the 24th World Anniversary Congress on Biosensors, Melbourne, Australia, 2014.
Graphene 2013, Bilbao, Spain, 2013.
Материалы также представлялись на семинарах кафедры общей физики
МФТИ, исследовательского отдела компании BiOptix Diagnostics, Массачусетского
технологического института, Института физиологии им. А.А. Богомольца НАНУ,
Университета ИТМО, Университета Южной Дании, Федеральной
политехнической школы Лозанны, исследовательского отдела компании Newtec.
Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих работах.
По материалам диссертации опубликовано 6 статей в журналах, из них 5 -входящих в список изданий, рекомендованных ВАК для публикации материалов кандидатских и докторских диссертаций, и два патента на изобретения.
Личный вклад. Все изложенные в диссертации оригинальные результаты
получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором
осуществлялся выбор направлений и объектов исследований, разработка
теоретических подходов, численное моделирование, экспериментальные
исследования и интерпретация и обработка результатов.
Достоверность результатов экспериментальных исследований
обеспечивается использованием апробированных и протестированных
измерительных приборов, контрольными измерениями, высокой
воспроизводимостью результатов измерений, а также хорошим согласием
экспериментальных данных с расчетными данными. Достоверность теоретических
результатов обеспечивается использованием апробированных методов
теоретической и математической физики, а также строгой обоснованностью приближений и модельных допущений в соответствии с экспериментальными данными. Положения и выводы, сформулированные в диссертации, получили квалифицированную апробацию на международных и российских научных конференциях и семинарах. Достоверность выводов также подтверждается публикациями результатов исследований в ведущих российских и международных рецензируемых научных изданиях, а также двумя патентами на изобретения.
Внедрение. Биосенсорные чипы на основе оксида графена используются при выполнении исследований в МФТИ в центре исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний, а также в Университете Южной Дании, Кембриджском Университете, Университете Данди и фармацевтической компании Numab AG (г. Веденсвиль, Швейцария).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Объем работы составляет 112 страниц. Диссертация содержит 44 рисунка. Список литературы состоит из 132 наименования.