Патент на изобретение №2383004
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
(54) БИФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ НАНОПЛЕНОК
(57) Реферат:
Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к, микроэлектронным датчикам – химическим и биосенсорам, предназначенным для одновременных акустических на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) и оптических исследований физико-химических и (или) медико-биологических свойств тонких порядка 0.1 мкм (100 нм) и менее нанопленок. В сенсоре используются свет видимого диапазона, для которого характерны коэффициенты поглощения на 2-4 порядка величины больше, чем в ИК-диапазоне, волноводный режим измерения, в котором монокристалл пьезоэлектрика используется в качестве плоского волновода для света видимого диапазона, причем возможны два режима оптических волноводных измерений: МНПВО или многократный отражательно-поглощательный, а также нагреватель в виде нескольких ЧИП-резисторов, соединенных в последовательную цепь, и термодатчик – платиновый термометр сопротивления, что обеспечивает повышение чувствительности и упрощение конструкции. 4 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, в частности к микроэлектронным датчикам – химическим и биосенсорам, предназначенным для одновременных акустических и оптических исследований физико-химических и (или) медико-биологических свойств тонких порядка 0.1 мкм (100 нм) нанопленок.
С одной стороны Lab on Chip используются для чисто исследовательских целей (Research), т.к. обладают комплексом свойств, недоступных для обычных приборов и измерительных макроячеек. С другой стороны, разрабатываются (Development) так называемые медико-биологические картриджы, предназначенные для проведения массовых анализов жидкостей и тканей человека и животных с целями: 1) ранней диагностики раковых и других заболеваний и 2) контроля хода медикаментозного лечения. В мире уже существует отрасль наноиндустрии, которая производит такие измерительные ячейки, комплектующие к ним и приборы на их основе обоих вышеуказанных типов (R&D). Лидеры: в Европе: Швейцария, Германия, Швеция, Дания, Нидерланды, Англия; В Азии: Япония, Тайвань. В Америке: США, Канада, Бразилия. В России к настоящему времени эта часть наноиндустрии практически отсутствует. Отдельные разработки имеются в МГУ, Зеленограде, Пущино (Московская обл.), Санкт-Петербурге (ФТИ им. Иоффе, Институт физиологии РАН), Екатеринбурге и в СО РАН (г.Новосибирск).
Описанная выше конструкция бифункционального акусто-оптического химического сенсора (устройства) наиболее близка к предлагаемому изобретению по назначению и технической сущности, поэтому она выбрана в качестве прототипа и в дальнейшем будет называться известным устройством. Недостатками известного устройства, предназначенного для физико-химических и (или) медико-биологических исследований нанопленок веществ, в частности исследований процесса сорбции газов и паров нанопленками веществ, являются следующие: 1) низкая чувствительность ИК-спектров, связанная с малыми значениями коэффициентов поглощения в ИК-области веществ, которая не позволяет получать количественные характеристики процесса сорбции газов и паров нанопленками в области малых концентраций (малых парциальных давлений) последних, по сравнению с чувствительностью измерений на ПАВ; 2) низкая чувствительность ИК-спектров, связанная с применением измерений только в однократно поглощательно-отражательном режиме, при котором пучок света проходит исследуемую пленку всего два раза по толщине; 3) высокая стоимость конструкции, связанная с исключительной сложностью изготовления конденсаторных каналов в монокристалле пьезоэлектрика, который используется в качестве жидкостного термостата; 4) недостаточно высокая точность задания температуры в жидкостном термостате, которая ограничивается точностью 0.02°С; 5) невозможность получения термодинамических данных сорбции из оптических ИК-измерений, что не позволяет выделить вклады в термодинамические параметры, обусловленные физической сорбцией и хемосорбцией; 6) технологические сложности и дороговизна исполнения сенсора, которая не позволяет перейти от лабораторного варианта к промышленному массовому выпуску сенсоров в виде картриджей и (или) приборов на их основе, предназначенных для массового использования в физико-химических и медико-биологических применениях не только в исследовательских лабораториях, а и в лабораториях больничных и фармацевтических предприятий. Последнее явилось причиной того, что авторы известного устройства не запатентовали его, а опубликовали его конструкцию в научном журнале. Цель предлагаемого изобретения – разработать устройство – бифункциональный акустооптический сенсор, его конструкцию, в котором 1) чувствительность оптических измерений будет близка к (или даже сравнима с) чувствительности(ью) акустических измерений, что позволит получать данные синхронных акустических и оптических измерений в области положительных температур, по которым, в частности, можно будет построить изотермы сорбции, включая область малых концентраций газов (паров), рассчитать все термодинамические параметры процесса сорбции, сравнить данные, рассчитанные из обоих видов измерений, и выделить вклады в термодинамические параметры, обусловленные физической сорбцией и хемосорбцией; 2) будет с одной стороны, упрощена конструкция нагревательного элемента, а с другой стороны, повышена точность задания и поддержания рабочей температуры пленочных образцов; 3) вытекающая из второго возможность изготовления относительно дешевого сенсора по массовой технологии микро- и наноэлектроники. Задачами, решаемыми предлагаемым изобретением, являются: 1) обеспечить повышение чувствительности оптических измерений до уровня, близкого к чувствительности акустических измерений; 2) обеспечить упрощение конструкции нагревательного элемента с одновременным повышением точности задания и поддержания температуры нанопленочных образцов; 3) обеспечить возможность одновременного проведения акустических на ПАВ и не менее чувствительных оптических измерений нанопленочных образцов в одном эксперименте; 4) обеспечить упрощение и значительное удешевление конструкции сенсора, что позволит, во-первых, перейти к промышленному изготовлению сенсоров по массовой технологии микро- и наноэлектроники, а во-вторых, создать измерительный прибор на его основе, доступный по стоимости и простоте использования не только научным сотрудникам, но и лаборантскому составу медицинских и фармацевтических предприятий и учреждений (больниц, клиник, диагностических лабораторий, аптек и т.п). Сформулированные цель и задачи решаются: 1-я задача обеспечения повышения чувствительности оптических измерений до уровня, близкого к чувствительности акустических измерений, решается тем, что в известном устройстве, во-первых, вместо ИК-света используется свет видимого диапазона, для которого характерны коэффициенты поглощения на 2-4 порядка величины больше, чем в ИК-диапазоне, во-вторых, вместо однократного поглощательно-отражательного режима измерения света образцом, при котором ИК-луч света только дважды проходит пленку по толщине, используется волноводный режим измерения, в котором монокристалл кварца – пьезоэлектрика, на одной из фронтальных граней которого сформированы ВШП, обладающий прекрасной пропускающей способностью в области света видимого диапазона, используется в качестве плоского волновода для света видимого диапазона (фиг.1), а свет, который распространяется по волноводу, в зависимости от угла падения света на торцовую грань монокристалла пьезоэлектрика, а также в зависимости от соотношения коэффициентов (показателей) преломления материалов пьезоэлектрика и нанопленки, зондирует нанопленку вдоль ее поверхности или в режиме многократного нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО), или в режиме многократного отражательно-поглощательного, при котором луч света многократно проникает в пленку на всю ее толщину (фиг.2); 2-я задача обеспечения упрощения конструкции нагревательного элемента с одновременным повышением точности задания и поддержания температуры нанопленочных образцов решается тем, что в известном устройстве, в котором в качестве нагревательного элемента используется сам монокристалл пьезоэлектрика, в котором с помощью сложнейшей лабораторной технологии проделан канал, через который пропускается термостатирующая жидкость, на фронтальной грани располагаются и закрепляются с помощью термостойкого клея несколько ЧИП-резисторов (каждый с номинальным сопротивлением 500 Ом), соединенных с помощью микропайки и соединительных проводников в последовательную цепь, образуя нагреватель, работающий на тепле Джоуля-Ленца, которое выделяется этим нагревателем в результате прохождения через него электрического тока; нагреватель, состоящий из нескольких ЧИП-резисторов, расположенных симметрично относительно центра монокристалла с общим сопротивлением несколько кОм, обеспечивает быстрый – в течение нескольких секунд – нагрев монокристалла пьезоэлектрика и нанопленки до любой температуры в диапазоне 20-70°С, в зависимости от величины приложенного внешнего напряжения, и поддерживает заданную температуру с точностью не хуже 4
На основании того, что оптические в видимой области спектра измерения контролируют только процесс хемосорбции, обусловленный межмолекулярным взаимодействием молекул аммиака с катионами БЗ, входящими в состав полимерной пленки, а акустические измерения контролируют всю сорбцию молекул аммиака, включая физическую сорбцию и хемосорбцию, проведено сравнение термодинамических параметров, рассчитанных из оптических данных и акустических. В результате вычитания величин термодинамических параметров, полученных из акустических данных, из величин термодинамических параметров, полученных из оптических параметров, можно получить вклады в термодинамические параметры сорбции, обусловленные хемосорбцией и структурными релаксациями полимерных цепей, являющимися следствием хемосорбции. Приведенный пример демонстрирует, что применение заявленной конструкции бифункционального акусто-оптического сенсора (устройства) позволило приблизить чувствительность оптических измерений к чувствительности акустических измерений, провести синхронно и те и другие измерения в интервале положительных температур и, в результате получить уникальные данные, недоступные другим приборам и подобным устройствам – бифункциональным акусто-оптическим химическим сенсорам. Краткое описание чертежей Фиг.1. Конструкция бифункционального акусто-оптического сенсора: (1) – монокристалл пьезоэлектрика, (2) – образец исследуемой нанопленки, (3) – встречно-штырьевые преобразователи из алюминия или золота, (4) – ВЧ-усилитель, (5) – источник света видимого диапазона, (6) – фотоприемник, (7) – ЧИП-резисторы, образующие нагреватель, (8) – термодатчик. Фиг.2. Схема прохождения света по волноводу – монокристаллу пьезоэлектрика (1) в режиме МНПВО – (а), в многократном отражательно-поглощательном режиме (б); (2) – образец исследуемой нанопленки. Фиг.3. Кинетические зависимости изменений ПАВ-частоты (Гц) и величины падения напряжения на фотоприемнике (В) в присутствии различных концентраций аммиака в воздушном потоке (температура образца исследуемой нанопленки 24°С). Фиг.4. Изотермы сорбции, построенные из акустических и оптических данных. Конструкция бифункционального акусто-оптического сенсора состоит из монокристалла пьезоэлектрика, обладающего прозрачностью в видимой области спектра (1), на поверхности которого методом фотолитографии сформированы встречно-штырьевые преобразователи (ВШП) из алюминия или золота (3). Образец исследуемой нанопленки (2) помещается (наносится) в пространство между ВШП. Кроме этого, в конструкцию сенсора входит высокочастотный усилитель (ВЧ-усилитель) (4), источник света видимого диапазона (5) и фотоприемник (6). Кроме этого, в конструкцию сенсора входят ЧИП-резисторы, образующие нагреватель сенсора и расположенные по периметру (7), термодатчик – платиновый термометр сопротивления лепесткового типа (8). Монокристалл пьезоэлектрика вместе с ВШП образует ПАВ-элемент, называемый «линия задержки на ПАВ», в которой один ВШП является генерирующим ПАВ преобразователем, а второй ВШП – принимающим ПАВ преобразователем. ПАВ-элемент включен в цепь обратной связи ВЧ-усилителя, образуя генератор ПАВ-частоты, которая может находиться в диапазоне от 30 МГц до 1 ГГц (1-я гармоника). В качестве источника света видимого диапазона может быть использован практически любой источник видимого света: микролампочка накаливания, светоизлучающий диод, лазерный диод и др. В качестве фотоприемника могут быть использованы любые фотоэлектрические преобразователи, чувствительные к свету видимого диапазона: вакуумного типа – фотоэлемент, фотоэлектронный умножитель, полупроводникового типа – фотодиод, фототриод и др. В нагревателе сенсора могут быть использованы практически любые известные типоразмеры ЧИП-резисторов с двумя условиями: 1. Мощность нагревателя, в качестве которого используется электрическая цепь, состоящая из нескольких ЧИП-резисторов, должна обеспечивать достижение и поддержание температуры сенсора от 20 до +70°С в условиях измерений, проводимых в лаборатории; 2. ЧИП-резисторы, которые образуют нагреватель сенсора, должны иметь такие геометрические размеры, чтобы свободно располагаться на той же фронтальной грани монокристалла пьезоэлектрика, на которой расположены ВШП, и не вносить электрических помех в работу ВШП. В качестве термодатчика может быть использован любой тип платинового термометра сопротивления (ПТС) лепесткового типа, соответствующий двум требованиям: 1. Градуировка ПТС должна обеспечивать разрешение по температуре не хуже 4·10-3°С; 2. ПТС, который расположен на той же фронтальной грани монокристалла пьезоэлектрика, на которой расположены ВШП, должен иметь такие геометрические размеры, чтобы не вносить электрических помех в работу ВШП. Бифункциональный акустооптический сенсор, предназначенный для физико-химических и медико-биологических исследований нанопленок, работает следующим образом. Вначале изготавливается образец для измерений, для этого в пространство между ВШП ПАВ-элемента наносится исследуемая нанопленка. Затем производится электрическое включение элементов измерительной системы: включается частотомер, который является измерителем ПАВ-частоты, и на ВЧ-усилитель подается питание, после чего начинает работать ПАВ-генератор и на индикаторном устройстве частотомера появляется значение ПАВ-частоты. После этого включается питание источника света и фотоприемника. Производится юстировка положения источника света – выводится необходимый угол падения пучка света на торцовую грань монокристалла пьезоэлектрика, который позволяет реализовать один из режимов прохождения света через образец: МНПВО или многократно отражательно-поглощательный. Затем, используя принцип «максимального отклика», производится юстировка положения входного окна фотоприемника. Затем на нагреватель подается питающее напряжение, соответствующее выбранной температуре сенсора. Контроль температуры сенсора осуществляется с помощью термодатчика, в данном случае ПТС, предварительно отградуированного в высокоточном термостате в координатах: электрическое сопротивление (R, Ом) – температура в градусах Цельсия или Кельвина. Далее температура сенсора подгоняется под заданную с помощью тонкой регулировки напряжения питания, подаваемого на ЧИП-нагреватель. В дальнейшем, в ходе какого-либо физико-химического или медико-биологического процесса, в котором участвует исследуемая нанопленка, производятся синхронные непрерывные записи показаний частотомера (Гц) и фотоприемника.
Формула изобретения
Бифункциональный акустооптический сенсор, выполненный на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с резонансной частотой в диапазоне от 30 МГц до 1 ГГц, содержащий монокристалл пьезоэлектрика, прозрачного для света видимого диапазона от 0,4 до 1,0 мкм, на поверхности которого методом фотолитографии сформированы два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) из алюминия или золота, в пространстве между которыми помещается исследуемый образец нанопленки, источник света видимого диапазона и фотоприемник, отличающийся тем, что на поверхности монокристалла закреплены несколько ЧИП-резисторов, соединенных последовательно проводниками и образующих нагреватель с общим сопротивлением несколько кОм, позволяющий поддерживать любую температуру образца в интервале от 20 до 70° С с точностью не хуже 4·10-3°С, термодатчик, представляющий собой платиновый термометр сопротивления лепесткового типа, при этом источник света и фотоприемник установлены таким образом, чтобы вводить пучок света в торец монокристалла и измерять интенсивность света вышедшего из противоположного торца монокристалла, который, распространяясь по монокристаллу как по плоскому волноводу в пространстве между ВШП, зондирует образец нанопленки по всей ее длине, или в режиме МНПВО, или многократном отражательно-поглощательном.
РИСУНКИ    
|
||||||||||||||||||||||||||
15, p.3022-3035. RU 2006114805 A, 10.11.2007. JP 2007085905 A, 05.04.2007. US 6955787 В1, 18.10.2005. US 2002043890 A1, 18.04.2002.
10-3° С (по градуировке платинового термометра сопротивления лепесткового типа, который расположен также на поверхности монокристалла пьезоэлектрика (фиг.1)); 3-я задача обеспечения возможности одновременного проведения акустических на ПАВ и не менее чувствительных оптических измерений нанопленочных образцов в одном эксперименте решается тем, что в известном устройстве вместо проведения синхронных измерений на ПАВ и оптических измерений в инфракрасной области спектра в однократном поглощательно-отражательном режиме проводятся синхронные измерения на ПАВ и оптические в волноводном режиме прохождения света видимого диапазона (режим МНПВО или многократный отражательно-поглощательный режим); 4-я задача обеспечения упрощения и значительного удешевления конструкции сенсора решается тем, что, во-первых, в известном устройстве вместо уникального нагревательного элемента, которым является монокристалл пьезоэлектрика – кварца с проделанным внутри его каналом, используется нагреватель из промышленно выпускаемых и очень дешевых ЧИП-резисторов, во-вторых, в отличие от известного устройства, в заявляемом устройстве отсутствует отражательная нанопленка золота, которая находится между ВШП (Фиг.1).
G0