close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Физико-химические основы модифицирования микроструктурных оптических волноводов как элементов биосенсоров

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Пиденко Сергей Анатольевич
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
МОДИФИЦИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРНЫХ ОПТИЧЕСКИХ
ВОЛНОВОДОВ КАК ЭЛЕМЕНТОВ БИОСЕНСОРОВ
02.00.04 – физическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Саратов
2018
2
Работа выполнена на кафедре общей и неорганической химии
ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский
государственный университет имени. Н.Г.Чернышевского»
Научный руководитель
Горячева Ирина Юрьевна
доктор химических наук, профессор
Официальные оппоненты
Гороховский Александр Владиленович
доктор химических наук, профессор,
ФГБОУ ВО «Саратовский
государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.», директор Физикотехнического института
Ведущая организация:
Яшкин Сергей Николаевич
доктор химических наук, доцент,
ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», доцент кафедры аналитической
и физической химии
Кучменко Татьяна Анатольевна
нженерных технологий»,
заведующая кафедрой физической и
аналитической химии
ФГБУН Институт физической химии и
электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН , г.
Москва
Защита состоится 21 июня 2018 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.243.07 на базе ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» по адресу: 410012, г. Саратов, ул.
Астраханская, 83, СГУ, корп. 1, Институт химии.
С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке им. В.А. Артисевич ФГБОУ ВО «Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского» (410601, Саратов, ул. Университетская, 42) и на сайте:
http://www.sgu.ru/research/dissertation-council/d-212-243-07
Автореферат разослан «
» апреля 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор химических наук
Русанова Т.Ю.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Физико-химические исследования материалов
на основе систем со сложной структурой являются важными для определения
фундаментальных закономерностей технологии их получения и анализа
свойств. Примером такого рода является изучение микроструктурных оптических волноводов (МОВ1) с целью создания мультифункциональных сенсорных
платформ, в которых МОВ объединяет функции микрореактора, трансдьюсера
оптического сигнала и возможного инструмента пробоотбора. В плане разработки биосенсорных элементов нового поколения наибольший интерес представляют МОВ с полой сердцевиной (МОВ ПС), интерес к которым обусловлен
рядом уникальных оптических свойств, в том числе возможностью регистрации
спектров пропускания, люминесценции, комбинационного рассеяния и др.
В настоящее время основой применения МОВ ПС в качестве элементов
сенсоров, как правило, является регистрация изменений оптических характеристик МОВ ПС (положения полос в спектре пропускания), обусловленных изменением показателя преломления среды при заполнении волновода анализируемыми средами. Достоинством данного подхода является высокая чувствительность, недостатком - низкая селективность определений. Одним из путей решения данной проблемы является химическое модифицирование внутренней поверхности полой сердцевины волновода, которая выполняет роль волноведущего дефекта, что открывает возможность проведения целевых химических реакций, в том числе с участием биомолекул. При этом с одной стороны, применение МОВ ПС в качестве подложки может оказывать существенное влияние на
свойства привитых соединений, с другой стороны, важное значение имеет
оценка влияния химического модифицирования на оптические характеристики
МОВ ПС. Систематическое изучение физико-химических закономерностей модифицирования внутренней поверхности МОВ ПС и оценка возможностей его
1
МОВ ПС - микроструктурные оптические волноводы с полой сердцевиной, КТ - квантовые точки, АПТЭС (3-аминопропил)триэтоксисилан, ГЛИМО (3-глицидоксипропил)триметоксисилан, ГА -глутаровый альдегид,
ПХ - пероксидаза хрена, ТМБ - 3,3′,5,5′-тетраметилбензидин, ПАНИ - полианилин
4
практического применения для электростатического и ковалентного связывания
биомолекул ранее не проводились.
Цель работы: выявление физико-химических закономерностей и разработка подходов к химическому модифицированию внутренней поверхности
микроструктурных оптических волноводов с полой сердцевиной для решения
задач оптимизации их применения в качестве оптических элементов биосенсоров.
Для достижения поставленной цели в работе было необходимо решить
следующие задачи:
•
выявление закономерностей влияния условий химической активации
внутренней поверхности МОВ ПС на оптические характеристики волновода;
разработка экспресс-способа оценки глубины протекания процесса активации
поверхности МОВ ПС;
•
выяснение физико-химических закономерностей модифицирования внут-
ренней поверхности МОВ ПС силанизирующими агентами для оптимизации
иммобилизации соединений белковой природы;
•
изучение влияния условий синтеза плёнок полианилина по реакции окис-
лительной полимеризации на внутренней поверхности МОВ ПС на характеристики полимерного слоя и оптические свойства МОВ ПС; оценка возможности
последующей иммобилизации соединений белковой структуры;
•
разработка методики селективной изоляции внешних оболочек образцов
МОВ ПС для предотвращения нарушения оптических свойств волноводов при
их последующем химическом модифицировании;
•
изучение
влияния
МОВ
ПС
на
возможную
трансформацию
детектируемого сигнала люминесценции полупроводниковых наночастиц.
Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в
том, что:
•
методами
оптической
спектроскопии
изучено
влияние
условий
химической активации внутренней поверхности МОВ ПС пероксиднокислотными растворами на оптические характеристики МОВ ПС;
5
•
выяснены особенности функционализации активированной поверхности
МОВ ПС с использованием (3-аминопропил)триэтоксисилана (АПТЭС) и (3глицидоксипропил)триметоксисилана (ГЛИМО) в качестве силанизирующих
реагентов и последующего ковалентного связывания и детектирования
модельного соединения белковой природы (пероксидазы хрена, ПХ) на
функционализированной поверхности;
•
найдены закономерности влияния условий синтеза пленок полианилина
на внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС на характеристики
полимерного слоя и положение полос в спектрах пропускания МОВ ПС;
•
установлено влияние МОВ ПС на трансформацию детектируемого
сигнала люминесценции квантовых точек (КТ) структуры ядро/оболочка
CdSe/ZnSe/ZnS в различных областях спектра пропускания МОВ ПС.
Практическая значимость работы:
•
разработана методика экспресс-оценки глубины протекания процесса
активации внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС на основе
анализа изменения положения полос в спектре пропускания волновода;
•
определены оптимальные условия:
- модифицирования активированной поверхности полой сердцевины МОВ ПС с
помощью силанизирующих реагентов (АПТЕС и ГЛИМО) и полианилина;
- ковалентного связывания и детектирования ПХ на силанизированной
поверхности полой сердцевины МОВ ПС,
•
установлена возможность направленного изменения положения фотонно-
запрещенных зон (ФЗЗ) в спектрах пропускания МОВ ПС при химическом
модифицировании внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС
полианилином (ПАНИ);
•
разработан способ селективной изоляции внешних оболочек МОВ ПС от
зоны полой сердцевины на торцевой поверхности волновода и показана его
практическая применимость;
•
выявлены
закономерности
изменения
детектируемого
сигнала
люминесценции КТ структуры ядро облочка CdSe/ZnSe/ZnS в МОВ ПС при
6
расположении полосы люминесценции КТ в различных областях спектра
пропускания МОВ ПС.
На защиту выносятся:

закономерности влияния условий химической активации внутренней по-
верхности полой сердцевины МОВ ПС смесями концентрированных H2SO4 и
H2O2 на изменение положения полос в спектре пропускания МОВ ПС; способ
экспресс оценки глубины протекания процесса активации внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС;

методики функционализации внутренней поверхности полой сердцевины
МОВ ПС с помощью АПТЭС и ГЛИМО;

способ термической селективной изоляции внешних оболочек МОВ ПС и
результаты его использования для предотвращения деградации оптических
свойств МОВ ПС при дальнейшем химическом модифицировании;

методика модифицирования поверхности полой сердцевины МОВ ПС по-
лианилином по реакции окислительной полимеризации анилина пероксодисульфатом аммония и закономерности влияния условий получения слоя полианилина на оптические свойства МОВ ПС;

результаты изучения влияния МОВ ПС на трансформацию детектируемо-
го сигнала люминесценции КТ структуры ядро облочка CdSe/ZnSe/ZnS в различных областях спектра пропускания МОВ ПС.
Апробация работы: результаты исследований доложены на международных и российских конференциях и изложены в материалах: Saratov Fall
Meeting: International Symposium Optics and Biophotonics (Саратов, 2015, 2016,
2017), VIII-th International Symposium «Design And Synthesis Of Supramolecular
Architectures» (Казань, 2016), International Conference Laser Optics (СанктПетербург, 2016), Международных конгрессов “Биотехнология: состояние и
перспективы развития” (Москва, 2015, 2017), ХХ Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016), I Всероссийской конференции с
международным участием «Химический анализ и медицина» (Москва, 2015), X
Всероссийской конференции «Химия и медицина» (Уфа, 2015), X Всероссий-
7
ской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика2016» (Углич, 2016).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 6 научных статей в журналах, входящих в перечень ВАК, получены 3 патента РФ, 7 тезисов
докладов на Международных и Всероссийских конференциях.
Личный вклад автора состоит в постановке основных целей и задач, анализе данных литературы, непосредственном участии в выполнении экспериментальных исследований, обобщении и систематизации полученных результатов, и формулировке выводов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения результатов и их обсуждения (5 глав), заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах, содержит 6 таблиц, 45 рисунков,
список литературы из 173 наименований.
Работа выполнена в рамках грантов РНФ № 14-13-00229 (2014-2016, 20172018 г.), Министерства образования РФ № 4.1708.2014/К (2014-2016 г.) и
4.1063.2017/ПЧ (2017-2019 г.), ФЦП 14.574.21.0128 (2014-2016 г.).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В обзоре литературы (глава 1) рассмотрены перспективы применения
МОВ ПС в качестве сенсорной платформы. В отдельных разделах обсуждается
современная классификация МОВ, материалы для их производства, подходы к
химическому модифицированию, примеры применения МОВ ПС при разработке сенсоров, методы оптимизации люминесцентного сигнала. Особое внимание
уделено возможностям разработки биосенсоров с люминесцентным детектированием сигнала и применению химического модифицирования МОВ ПС в этой
области.
Глава 2 содержит описание используемых в работе МОВ ПС, реактивов и
оборудования, методик синтеза квантовых точек. Представлены методы, применявшиеся для изучения поперечных сечений МОВ ПС (оптическая и элек-
8
тронная микроскопия), КТ (фотолюминесценция, УФ-, видимая абсорбционная
спектроскопия). Приведена схема экспериментальной установки для детектирования спектров пропускания МОВ ПС и фотолюминесценции люминофоров
в образцах МОВ ПС.
В главах 3-5 рассмотрены результаты работы.
АКТИВАЦИЯ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ МОВ ПС
Способность поверхности стекла к химическому модифицированию определяется содержанием различных типов силанольных групп и их поверхностной концентрацией. Используемые в работе МОВ ПС изготовлены из силикатного стекла, низкая сорбционная способность которого и возможные загрязнения в процессе изготовления не позволяют проводить химическое модифицирование без предварительной подготовки.
Для нахождения оптимальных условий активации внутренней поверхности МОВ ПС изучены спектры пропускания МОВ ПС до и после обработки их
внутренней поверхности растворами концентрированной H2SO4 и ее смеси с
концентрированным H2O2 (рис. 1). Установлено, что обработка МОВ ПС смесью H2SO4конц/H2O2конц (50/50 об.%) сопровождается существенным смещением
длинноволновых полос (764 и 644 нм) в коротковолновую область спектра (на
30 и 20 нм, соответственно). При этом исследование этих образцов методом
сканирующей электронной микроскопии не показало нарушений и изменений
морфологической структуры (рис. 1). Это позволяет предположить, что сдвиги
полос в спектре пропускания не связаны с разрушением внутренней поверхности МОВ ПС, а обусловлены изменением химического состава поверхностного
слоя - образованием дополнительных силанольных групп, которые обеспечивают эффективность последующей модификации МОВ ПС. В связи с этим, исследовано влияние условий обработки поверхности МОВ ПС на глубину протекания процесса активации (рис. 2).
9
а)
б)
в)
Рисунок 1. Спектры пропускания и вид поперечных сечений обкладок МОВ
ПС до (а) и после обработки внутренней поверхности H2SO4конц (б) и смесью
H2SO4конц/H2O2конц (50/50 об.%) (в) в течение 120 мин.
а)
б)
Рисунок 2. Изменение положения локальных максимумов (относительно необработанного волновода) в спектре пропускания МОВ ПС обработанных (а) смесями концентрированных H2SO4 и H2O2 в течение 30 мин и (б) смесью концентрированных H2SO4:H2O2 (50/50 об.%) с различным временем обработки.
Установлены следующие закономерности смещения полос в спектре пропускания МОВ ПС при активации внутренней поверхности пероксиднокислотными растворами:
10
- увеличение содержания H2O2 в пероксидно-кислотной смеси от 30 до 50 об.%
приводит к увеличению сдвига спектральных полос в коротковолновую область;
- время обработки волноводов не играет существенной роли в интервале от 45
до 60 мин. В общем случае, сдвиг полос в спектре пропускания прекращается
через некоторый промежуток времени, что свидетельствует о наступлении равновесного состояния и может быть интерпретировано как завершение процесса
активации поверхности МОВ ПС и достижение максимально возможного стерического количества силанольных групп;
- наиболее воспроизводимые результаты наблюдаются при обработке внутренней поверхности МОВ ПС смесью H2SO4конц:H2O2конц = 50/50 об.%, в течение 30
мин, данные условия обработки использовали в дальнейшей работе.
Оценка глубины протекания процесса активации внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС. Изучена возможность оценки глубины
протекания процесса активации внутренней поверхности полой сердцевины
МОВ ПС при обработке пероксидно-кислотными растворами методом термогравиметрического анализа (ТГА).
Результаты ТГА образцов МОВ ПС до и после активации при различных
условиях в целом соответствуют процессам, описанным в литературе (Таблица
1). На кривой ТГ наблюдается убыль массы при увеличении температуры до
200С, соответствующая потере адсорбированной воды. При дальнейшем
нагреве до 900С происходит незначительное уменьшение массы в результате
дегидроксилирования, позволившее рассчитать количество силанольных групп.
Однако, относительно неразвитая поверхность МОВ ПС, в первую очередь зоны полой сердцевины, и разрушающий тип ТГА, не позволяет использовать метод для контроля изменения количества силанольных групп на поверхности полой сердцевины при активации образцов МОВ ПС. Технические трудности и
геометрические особенности образцов МОВ ПС не позволили провести определение силанольных групп на внутренней поверхности полой сердцевины МОВ
ПС с использование стандартного варианта ИК- спектроскопии.
11
Таблица 1. Пример результатов термогравиметрического анализа образцов
МОВ ПС после обработки смесями H2SO4конц/H2O2конц (70/30 об.% ), n = 3
ОН-групп
на нм2
Температура,С
Время обра100
ботки, мин
220
300
420
500
620
700
820
900
Потеря массы, %
30
96
93
92
92
91
90
90
89
89
3.1 ± 1.5
60
96
93
93
92
91
90
89
88
88
4.6 ± 1.9
Нами предложен способ оценки глубины протекания процесса активации
внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС, основанный на оценке
изменения положения полос в спектрах пропускания. Так как, согласно технологическим особенностям изготовления МОВ ПС исходные образцы МОВ ПС
содержали минимальное количество силанольных групп (~1,2 ОН-групп на 1
нм2) исходное положение полос спектра пропускания МОВ ПС принимали за
соответствующее этому количеству. При этом максимально возможное количество силанольных групп (~4,6 ОН-групп на 1 нм2) принято соответствующим
максимальному сдвигу полос спектра пропускания МОВ ПС.
На основании этих данных и данных полученных методом ТГА построена
регрессионная зависимость содержания силанольных групп от величины сдвига
полос в спектре пропускания МОВ ПС (рис. 3). Полученная предлагаемым экспресс-способом оценка глубины процесса активации поверхности МОВ ПС хорошо коррелирует с известными литературными данными изменения количества силанольных групп.
ХИМИЧЕСКОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ МОВ ПС
Изучена возможность химического модифицирования внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС силанизирующими реагентами – АПТЭС и
ГЛИМО.
12
Рисунок 3. Градуировочный график для оценки количества силанольных групп
в МОВ ПС при различном времени обработки образца H2SO4конц/H2O2конц
(70/30 об.%).
Влияние условий модифицирования внутренней поверхности МОВ ПС
растворами АПТЭС на свойства полученного слоя изучено методом оптической
микроскопии (рис. 4). Показано, что использование растворов АПТЭС > 2 об.
%, С2Н5ОН и времени обработки >30 мин приводит к образованию значительных по толщине неупорядоченных структур продуктов гидролиза на поверхности капилляров МОВ ПС и полному либо частичному закрытию капилляров
МОВ ПС.
а)
б)
в)
Рисунок 4. Вид торца МОВ ПС после обработки активированной внутренней
поверхности растворами АПТЭС (С2Н5ОН) 2 об.% (а, б) и 5 об.% (в) в течение
30 мин (а) и 120 мин (б, в).
Установлены оптимальные условия химического модифицирования изготовленных из силикатных стёкол МОВ ПС с использованием раствора АПТЭС
(2 % об., С2Н5ОН, 30 мин). Изменение условий иммобилизации АПТЭС на
внутреннюю поверхность МОВ ПС приводит к трансформации спектра про-
13
пускания волновода, при этом смещение положения спектральных полос коррелирует со временем обработки поверхности раствором АПТЭС (рис. 5).
а)
б)
, нм
800
20 мин
40 мин
60 мин
600
90 мин
400
500 нм
560 нм
763 нм
Рисунок 5. Изменение положения локальных максимумов в спектрах пропускания
МОВ ПС после иммобилизации АПТЭС (2 об.%, С2Н5ОН) (а) и зависимость сдвига
спектральных полос от времени обработки (б).
Ковалентное связывание белковых молекул с поверхностью МОВ ПС,
функционализированной NH2-группами, проводили с использованием гомобифункционального реагента - глутарового альдегида (ГА) - согласно схеме на
рис. 6. ПХ использовали в качестве модельного соединения белковой природы.
Отмечено, появление интенсивного красного окрашивания в присутствии
раствора ГА и его исчезновение при последующем пропускании ПХ, что косвенно свидетельствует об образовании продуктов связывания ГА с NH2- группами и белковыми молекулами, соответственно. В спектрах пропускания модифицированных МОВ ПС наблюдается значительное уширение спектральных
полос, что вероятно, связано с уменьшением диаметра внешних капиллярных
слоев, при адсорбции продуктов полимеризации ГА и молекул ПХ. Нарушение
оптических свойств МОВ ПС является отрицательным фактом, который препятствует детектированию белковых молекул.
Изучена возможность силанизации внутренней поверхности МОВ ПС с
использованием ГЛИМО, который позволяет проводить прямое связывание
белковых молекул за счёт глицидоксигруппы (рис. б).
14
NH2
(3-аминопропил)
триэтоксисилан
IgG-ПХ
IgG
Глутаровый
альдегид
Фермент
ГЛИМО
казеин
Фермент
АПТЕС - 2 об.%, С2Н5ОН, 30 мин;
ГА -1 об. %, Н2О, 30 мин, 4 0С; ПХ
- 110-3, 510-3, 110-2 ус.ед/мл, фосфатно-солевой буфер, 30 мин.
ГЛИМО - 2 об.%, С2Н5ОН, 30 мин; IgG,
110-3 мг/мл, 12 час и IgG-ПХ - 110-4
мг/мл, фосфатно-солевой буфер, 30
мин.
Рисунок 6. Схема процессов, происходящих при химическом модифицировании внутренней поверхности МОВ ПС с использованием АПТЭС и ГЛИМО.
Показано, что модифицирование внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС раствором ГЛИМО и иммобилизация антител (IgG) практически
не влияют на положение полос в спектре пропускания МОВ ПС. Последующее
ковалентное связывание антивидовых антител (IgG-ПХ) приводит к сдвигу положения полос ~3-5 нм. Для подтверждения связывания IgG-ПХ с поверхностью модифицированных МОВ ПС использовали реакцию пероксидазного
окисления 3,3′,5,5′-тетраметилбензидина (ТМБ) пероксидом водорода. Показано, что добавление хромогенного субстрата приводит к трансформации спектра
пропускания МОВ ПС (рис. 7). Установлено, что трансформация полос в спектрах пропускания МОВ ПС обусловлена образованием продукта ферментативного окисления ТМБ. При этом закономерное уменьшение интенсивности спек-
15
тральных полос от концентрации ПХ может быть использовано для количественного определения фермента (рис. 7).
T
а
1,00
б
в
0,75
0,50
0,25
0,00
400
600
, нм
800
Рисунок 7. Спектры пропускания исходных образцов МОВ ПС (а), после иммобилизации IgG-ПХ (б) и при добавлении субстрата ТМБ (в). Изменение интенсивности полосы 560 нм от концентрации ПХ (справа).
Полученные данные показывают перспективность МОВ ПС, модифицированных ГЛИМО, в качестве основы гетерофазных иммуносенсоров .
Селективная изоляция внешних оболочек МОВ ПС. Химическое модифицирование МОВ ПС может привести к комплексу негативных явлений, связанных со значительной деградацией исходных оптических характеристик
МОВ ПС, избежать которых возможно, используя селективную изоляцию
внешних оболочек от зоны полой сердцевины на торцевой поверхности волновода. В работе предложен способ решения данной проблемы и разработано
устройство для его реализации. Предложенный подход позволил получать образцы МОВ ПС с равномерно селективно запаянными внешними оболочками, и
характеризуется простым аппаратурным оформлением и низкой стоимостью
расходных материалов. При этом диаметр полой сердцевины волновода практически сохраняет свои первоначальные размеры (максимальное уменьшение
диаметра полой сердцевины не превышает 20%), и полученные образцы МОВ
ПС обладают необходимой прочностью и устойчивостью к дальнейшему химическому модифицированию. Разработанный способ термической селективной
изоляции внешних оболочек МОВ ПС позволяет проводить химическое моди-
16
фицирование внутренней поверхности образцов без существенного ухудшения
их оптических характеристик.
Химическое модифицирование МОВ ПС полианилином. Модифицирование внутренней поверхности МОВ ПС с изолированными внешними оболочками слоями полианилина (ПАНИ) проводили по реакции химической полимеризации анилина, в качестве окислителя использовали пероксодисульфат аммония; реакцию проводили в среде хлороводородной кислоты согласно следующей схеме:
Установлено, что толщина пленки ПАНИ на внутренней поверхности
МОВ ПС существенно зависит от времени синтеза и кислотности среды (рис.
8). Формирование первых ядер и цепочек ПАНИ на внутренней поверхности
занимает ~ 2 мин (рис. 8а), стабильный сплошной слой ПАНИ формируется не
ранее, чем через 3 мин от начала синтеза. Изменения в кислотности в 0.1 M 0.2 M не существенно влияют на темп роста и заключительную толщину слоя
ПАНИ. Толщина слоя ПАНИ составляет от 220 до 980 нм (рис. 8 б,в). Увеличение времени синтеза больше 6 мин приводит к заполнению каналов МОВ ПС
продуктами синтеза ПАНИ хаотичной структуры и, как следствие, к полной деградации оптических свойств волновода.
а)
б)
в)
Рисунок 8. Изображение сканирующей электронной микроскопии поперечного
сечения МОВ с внутренней поверхностью модифицированной ПАНИ с
соотношением анилин:S2O82-= 1:1.25, [H+] = 0,2 М: t =2 мин (а); 3 мин (б); 5
мин (в)
17
Установлено, что нанесение пленок ПАНИ на внутреннюю поверхность
МОВ ПС приводит к смещению полос спектров пропускания до 20 нм (рис. 9).
Таким образом, применение ПАНИ для модифицирования внутренней поверхность МОВ ПС позволяет направленно изменять положение фотонных запрещенных зон МОВ ПС.
Т
до модификации
1,00
после
0,75
0,50
0,25
0,00
400
600
, нм
800
Рисунок 9. Спектры пропускания МОВ
ПС до и после модифицирования ПАНИ
Рисунок 10. Спектр люминесценции
Ig-Fl различной концентрации, иммобилизованных в МОВ ПС модифицированных ПАНИ.
Возможность иммобилизации белковых молекул на модифицированной
ПАНИ внутренней поверхности МОВ ПС изучена на примере иммуноглобулинов меченных флуоресцеином (Ig-Fl). Показано, что интенсивность люминесценции Ig-Fl в МОВ ПС зависит от их концентрации (рис. 10). При этом значение минимально возможной детектируемой концентрации Ig-Fl в микропланшете и МОВ ПС совпадают. Возможность использования микрообъемов исследуемых веществ (2-5 мкл) и возможная обратимость процесса иммобилизации
биомолекул показывает перспективность использования МОВ ПС, модифицированных ПАНИ, в качестве основы оптических биосенсорных элементов.
ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК В МОВ ПС
Одним из существенных достоинств КТ является их высокая стабильность и устойчивость оптического сигнала во времени. В тоже время физикохимические особенности систем МОВ ПС – КТ, а именно суперпозиция полос
пропускания МОВ ПС и испускания КТ в данных системах могут являться как
18
положительным, так и отрицательным фактором при их практическом применении. В связи с этим изучено влияние условий проведения эксперимента на
люминесценцию КТ СdSe/CdS/ZnS (фл=590 нм) в МОВ ПС. Образцы МОВ ПС
подбирали таким образом, чтобы разрешенная область энергии фотонов соответствовала максимуму люминесценции КТ. Установлено, что многократное
кратковременное воздействие лазером (6 раз каждые 5 мин в течение 1 часа) и
длительное непрерывное воздействие лазера (60 мин) на раствор КТ в МОВ ПС
приводит к незначительному уменьшению интенсивности люминесценции КТ
(∆I<10%).
Наблюдаемая высокая фотостабильность показывает перспективность
использования КТ в МОВ ПС в качестве люминесцентных меток при разработке биосенсорных систем по сравнению с органическими флуоресцентными
зондами, для которых наблюдается значительное фотообесцвечивание - в течение первых 2 мин (рис. 11).
Рисунок 11. Изменение люминесценции КТ и флуоресцеина в МОВ ПС при непрерывном воздействия лазером (0,400 мВт, tинт = 100 мс)
Сравнительное изучение люминесценции квантовых точек в МОВ ПС
и микрокапиллярах. Оптические свойства гидрофобных КТ различного цвета
свечения изучены при их помещении в микрокапилляры и МОВ ПС, изготовленные из идентичного силикатного стекла, с близкими размерами полой сердцевины МОВ ПС и внутреннего диаметра микрокапилляра. Установлено, что
положение полосы люминесценции КТ в обоих случаях практически идентично
(рис. 12). При этом отмечено существенное увеличение детектируемой интенсивности люминесценции КТ в МОВ ПС по сравнению с микрокапилляром такой же длины. Соотношение интенсивностей в МОВ ПС и МК (IМОВ ПС/Iмикрокап)
19
зависит от природы КТ и составляет 286, 318, 307 для КТ положением максимума люминесценции 630, 587 и 538 нм, соответственно
Рисунок 12. Спектры пропускания МОВ ПС (а) и люминесценции оранжевых
КТ (фл = 587 нм) в микрокапилляре (б) и МОВ ПС (в), справа показан увеличенный фрагмент в диапазоне разрешенной энергии фотонов.
Смещение пика люминесценции квантовых точек в МОВ ПС. Особый
интерес представляет случай возможного изменения детектируемого сигнала
люминесценции в так называемой «переходной» области (области спектра пропускания МОВ ПС соответствующей переходу от зоны запрещенных энергий к
зоне разрешённых энергий фотонов). Впервые установлено явление красного
смещения спектральной полосы люминесценции КТ в «переходной зоне» МОВ
ПС на величину до Δλ=13±2 нм (рис.13). Предложены пути объяснения данного
явления за счёт эффектов «внешнего» и «внутреннего» фильтра.
Рисунок 13.- Спектры пропускания
МОВ ПС (а), спектры люминесценции
зеленых КТ (фл = 538 нм) в кювете
(б), и МОВ ПС (в).
20
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования позволили установить физико-химические закономерности химического модифицирования внутренней поверхности МОВ
ПС и показать перспективность применения химического модифицирования
МОВ ПС для разработки оптических биосенсорных элементов на их основе.
На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Установлены закономерности влияния условий обработки внутренней
поверхности МОВ ПС пероксидно-кислотными растворами при различном содержании компонентов смеси на оптические свойства МОВ ПС и глубину протекания процесса активации. Установлено, что увеличение содержания H2O2 от
30 до 50 об.% приводит к увеличению глубины протекания процесса активации
поверхности, при этом максимальная глубина процесса активации достигается
в интервале от 45 до 60 минут, в зависимости от содержания H2O2.
2. Предложен способ экспресс-оценки глубины протекания процесса активации внутренней поверхности МОВ ПС пероксидно-кислотными растворами,
основанный на регистрации изменения положения полос в спектре пропускания
волновода.
3. Разработаны методики функционализации предварительно активированной внутренней поверхности МОВ ПС АПТЭС и ГЛИМО и показана предпочтительность использования МОВ ПС модифицированных ГЛИМО для создания элементов оптических биосенсоров с ковалентным связыванием биомолекул на примере последующей иммобилизации и детектирования модельных
соединений белковой природы. Установлена связь положения полос в спектре
пропускания МОВ ПС т со временем обработки поверхности АПТЭС. Установлено, что в общем случае МОВ ПС, структура которых образована капиллярами малого сечения, требуют использования растворов модификаторов меньшей концентрации и меньшего времени химического модифицирования, чем
планарные системы.
4. Определены оптимальные условия получения однородного устойчивого слоя
ПАНИ на предварительно активированной внутренней поверхности МОВ ПС
21
толщиной ~1 мкм(время обработки 3 мин, соотношение анилин:окислитель =
1:1,25 М, 0,2 М HCl). Установлена возможность направленного изменения положения ФЗЗ МОВ ПС на величину до 20 нм путём химического модифицирования слоем ПАНИ. Показана возможность применения полученных модифицированных ПАНИ МОВ ПС в качестве оптических элементов биосенсоров с
электростатическим связыванием биомолекул на примере модельных соединений белковой природы.
5. Предложен способ и реализована лабораторная установка для термической селективной изоляции внешних оболочек образцов МОВ ПС от зоны полого центрального дефекта на торцевой поверхности МОВ ПС для предотвращения нарушения оптических свойств МОВ ПС при химическом модифицировании.
6. Показано влияние МОВ ПС на трансформацию детектируемого сигнала
люминесценции полупроводниковых наночастиц - квантовых точек. Установлено увеличение интенсивности сигнала люминесценции КТ в МОВ ПС по
сравнению с микрокапилляром аналогичного диаметра в ~ 300 раз. Впервые
установлено явление красного смещения сигнала фотолюминесценции КТ на
величину ~ 10 нм при совпадении полосы люминесценции КТ с отдельными
областями спектра пропускания МОВ ПС.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ РАБОТЫ
1.
Pidenko S.A., Burmistrova N.A., Shuvalov A.A., Chibrova A.A., Skibina Y.S.,
Goryacheva I.Y. Microstructured optical fiber-based luminescent biosensing: Is there
any light at the end of the tunnel? - A review // Anal. Chim. Acta. 2018, V. 1019, Р.
14-24.
2.
Pidenko P.S., Pidenko S.A., Burmistrova N.A., Shuvalov A.A., Chibrova A.A.,
Skibina Y.S., Goryacheva I.Y. Application of Microstructural Optical Waveguides
with Hollow Core for Enzyme Immunoassay // Proc. SPIE, Saratov Fall Meeting
2017: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XIХ. 2018. V. 10716. P.
10716F.
3.
Chibrova A.A., Shuvalov A.A., Skibina Y.S., Pidenko P.S., Pidenko S.A.,
Burmistrova N.A. Goryacheva I.Y. The red shift of the semiconductor quantum dots
luminescence maximum in the hollow core photonic crystal fibers // Opt. Mater.
2017. V. 73, Р. 423-427.
22
4.
Pidenko S.A., Burmistrova N.A., Pidenko P.S., Bondarenko S.D., Shuvalov
A.A., Chibrova A.A., Skibina Y.S., Goryacheva I.Y. The optical properties of quantum dots integrated in a hollow core photon crystal fiber // Proc. SPIE, Saratov Fall
Meeting 2016: Optical Technologies in Biophysics and Medicine XVIII. 2017. V.
10336. P. 103360N.
5.
Pidenko S.A., Burmistrova N.A., Pidenko P.S., Shuvalov A.A., Chibrova A.A.,
Skibina Y.S., Goryacheva I.Y., Controlled chemical modification of the internal surface of photonic crystal fibers for application as biosensitive elements // Opt. Mater.
2016. V. 60. P. 283-289.
6.
Pidenko S.A., Pidenko P.S., Bondarenko S.D., Shuvalov A.A., Burmistrova
N.A., Goryacheva I.Y. Modification of inner surface of photonic crystal fibers with
self-assembled polyaniline films // Proc. SPIE, Saratov Fall Meeting 2015: Third International Symposium on Optics and Biophotonics and Seventh Finnish-Russian
Photonics and Laser Symposium (PALS). 2016. V. 9917. P. 99171F.
Патенты:
7.
Горячева И.Ю., Скибина Ю.С., Пиденко С.А., Бурмистрова Н.А., Пиденко
П.С. Способ селективной запайки внешних оболочек фотоннокристаллического волновода с полой сердцевиной // Патент России RU №
2617650. 2015. Бюл. № 12.
8.
Горячева И.Ю., Скибина Ю.С., Пиденко С.А., Бурмистрова Н.А., Шувалов А.А. Способ селективной запайки внешних оболочек фотоннокристаллических волноводов с полой сердцевиной // Патент России RU №
2629133. 2016. Бюл. № 24.
9.
Горячева И.Ю., Скибина Ю.С., Пиденко С.А., Бурмистрова Н.А., Шувалов А.А. Способ оценки количества гидроксильных групп на внутренней поверхности фотонно-кристаллических волноводов // Патент России RU №
2611573. 2015. Бюл. № 7.
Материалы конференций
10. Пиденко С.А., Пиденко П.С., Бондаренко С.Д. Бурмистрова Н.А., Скибина Ю.В, Горячева И.Ю. Применение полианилина для улучшения морфологии
внутренней поверхности фотонно-кристаллических волноводов с целью высокоточного определения контрафактных лекарственных препаратов. Сб. тезисов
докладов I Всерос. Конф. с межд. участием «Химический анализ и медицина»,
9–12 ноября 2015, г. Москва. С.100.
11. Бурмистрова Н.А., Пиденко С.А., Скибина Ю.С., Горячева И.Ю. Биосенсоры на основе фотонно-кристаллических волноводов с модифицированной
внутренней поверхностью. Тез. докл. X Всерос. конф. «Химия и медицина» с
Молод. научн. шк.. Уфа, 2015. С. 98-99.
12. Pidenko P.A., Pidenko S.A., Bondarenko S.D., Burmistrova N.A., Y.S.
Skibina, Goryacheva I.Y. Self-Accembled Polianaline Layers As Intermediate Structure For Improve Sorbtion Capacity Of Soft Glass Hoolow Core Photonic Crystall
Fibers // In B. VIII-th Intern. Symp. «Design And Synthesis Of Supramolecular Architectures». Kazan, Russia. 2016. P. 144.
13. Goryacheva I. Yu., Skibina Yu.S., Pidenko S.A., Burmistrova N.A., Shuvalov
A.A., Chibrova A.A., Trends in biosensor development: Multifunctional platforms
23
and enhanced labels, Proceedings - 2016 International Conference Laser Optics, LO
2016 IEEE, 2016, S2-35.
14. Pidenko S.A., Bondarenko S.D., Chibrova A.A., Shuvalov A.A., Burmistrova
N.A., Skibina Y.S., Goryacheva I.Y. Quantum dots luminescence in the photonic
cristal fibers modified with polymer layers, Proceedings - 2016 International Conference Laser Optics, LO 2016 IEEE, 2016, 7549916, R9-16
15. Бурмистрова Н.А., Пиденко С.А., Чиброва А.А., Шувалов А.А., Скибина
Ю.С., Горячева И.Ю. Фотонно-кристаллические волноводы, как платформа для
химических и биологических сенсоров // Х Всерос. конф. по анализу объектов
окружающей среды. Экоаналитика-2016. 26 июня-2 июля. 2016. Углич, Россия.
С. 23.
16. Пиденко С.А., Пиденко П.С., Бондаренко С.Д., Чиброва A.A., Шувалов
A.A., Бурмистрова Н.А., Скибина Ю.С., Горячева И.Ю., Фотоннокристаллические волноводы, содержащие квантовые точки, ХХ Менделеевский
съезд по общей и прикладной химии. 26–30 сентября 2016, Екатеринбург, Тез.
докл. Том 2б, 44.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
11
Размер файла
1 322 Кб
Теги
физики, оптические, модифицированные, элементов, микроструктура, основы, волноводов, биосенсоры, химические
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа