Новый подход к формированию многослойных наноструктурированных пленочных биосенсоров

В ходе выполнения проекта проведены исследования в соответствии с заявленным планом: 1) Изготовление образцов гетерофазных полупроводниковых (ГФП) структур: пленка аморфнного Si (a-Si) с нанокристаллами Si (nс-Si) толщиной 50-1000 нм на подложках из кварцевого стекла и монокристаллического Si и пленка CdS c наноразмерными включениями PbS или FeS толщиной 500 - 1000 нм на подложках из кварцевого стекла и слюды. Разные партии образцов будут отличаться размером наноразмерных включений (от единиц до сотен мкм), общей объёмной долей нановключений (от 5 до 60 %) в основной полупроводниковой матрице, равномерностью расположения нановключений в основной полупроводниковой матрице («прижаты» к поверхности или распределены по всему объему). 2) Проведение испытаний ГФП структур разного фазового состава на стабильность фотоэлектрических характеристик (фототок, люминесценция) во времени и исследование фотоутомляемости при интенсивном облучении белым светом (до 30000 лк). Проведение сопоставления результатов расчета (прогноза) с экспериментальными данными по фоточувствительности и фотоутомляемости ГФП структур. 3) Проведение серий экспериментов по фотостимулированной адсорбции (ФСА) полиэлектролитов на ГФП структуры – получение гибридных структур ГФП/полиэлектролит. В качестве модельных полиэлектролитов предполагается использование полимера полиэтиленимина (ПЭИ) и фермента глюкозооксидаза (GOx). 4) Исследование изменения поверхностного потенциала и работы выхода электронов при ФСА и иммобилизации органических молекул, проведенных в различных режимах на указанных выше образцах для выявления закономерностей, определяющих предел адсорбции и степень сохранения активности ферментов при использовании методики ФСА. 5) Характеризация химического и фазового состава полученных образцов методами рентгеновской дифракции, вторичной ионной масс-спектрометрии, сканирующей Оже спектроскопией, спектроскопии комбинационного рассеяния, энергодисперсионного анализа, атомно-силовой микроскопии. 6) Исследование вольт-фарадных характеристик полученных гибридных структур с ферментным слоем молекул глюкозооксидазы в растворах глюкозы с разной концентрацией, определение потенциала плоских зон. Построение зависимостей сдвига потенциала плоских зон от концентрации аналита (сенсорные характеристики). Изучение стабильности характеристик во времени при интенсивной засветке (оптический диапазон) в зависимости от гетефазности полупроводниковой подложки и применения ФСА. 7) Проведение расчетов размеров наноразмерных включений, общей объёмной доли и равномерности расположения нановключений в основной полупроводниковой матрице с использованием модели преципитации при ограниченной растворимости компонентов для образцов CdS – PbS, сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными, корректировка технологических режимов. 8) Комплексный анализ результатов экспериментов для изучения возможностей корректировки электронных процессов, происходящих в гибридных микро- и наноструктурированных материалах и системах под действием освещения на этапах их создания, изменением режимов освещения. 9) Корректировка проведенного в 2022 году теоретического прогнозирования изменения параметров полупроводниковых гетерофазных трансдьюсеров для биосенсорных структур во времени и при длительном интенсивном облучении от вида пленки, соотношения и параметров основной полупроводниковой матрицы и нановключений и режимов освещения (интенсивность, спектральный диапазон). 10) Получение новых партий гибридных сенсорных структур с наиболее оптимальным составом и строением ГФП, выявленными при проведении исследований 2022 года. Ферментные слои 3-х типов (глюкозооксидаза, пероксидаза хрена, L-глутаматоксидаза). Последующая характеризация полученных гибридных структур методами АСМ, электронной микроскопии, микроскопии зонда Кельвина, Оже-спектроскопии, ВИМС, комбинационного рассеяния. 11) Разработка алгоритма последовательной иммобилизации 2-х типов ферментов на полупроводниковый трансдьюсер в условиях фотостимулированной адсорбции. Получение подбором режима освещения и особенностей строения полупроводниковой подложки иммобилизации разных ферментов на заданных микронных участках подложки. 12) Исследование изменения поверхностного потенциала и работы выхода электронов при ФСА и иммобилизации органических молекул, проведенных в различных режимах на указанных выше образцах для выявления закономерностей, определяющих предел адсорбции и степень сохранения активности ферментов при использовании методики ФСА. 13) Формулирование основных закономерностей формирования структуры гибридного материала в зависимости от локального изменения электрофизических и химических свойств интерфейсных границ, условий получения и внешних воздействий. Теоретическое обоснование режимов ФСА полиэлектролитов на ГФПП, позволяющие создать высокочувствительный мультиферментный биосенсор, отличающийся от аналогов простотой и дешевизной исполнения при сохранении и улучшении таких параметров сенсора как селективность, точность и надежность.