17Библиографический список
1. Cheung L.M., Cheung P.C.K., Ooi V.E.C. Antioxidant activity and total phenolics of edible mushroom extracts // Food Chem. 2003. V. 81. №2. P. 249-255.
2. Tsivileva O.M., Pankratov A.N., Misin V.M., Zavyalov A.Yu., Volkov V.A,, Tsymbal O.A., Yurasov N.A., Nikitina V.E. The Artist's Conk medicinal mushroom, Ganoderma applanatum (Agaricomycetes) antioxidant properties on cultivation with para-substituted phenolic compounds and tea leaves extracts // Int. J. Med. Mush. 2018. V. 20. №6. P. 549-560.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР ДЛЯ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ
БИОСЕНСОРОВ
H.A. Светлицына, A.B. Козловский, C.B. Стецюра Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского Email: nadyasvetiknadya@mail.ru
Аннотация: Исследовано влияние слоёв аморфного кремния (а-Si) и полиэтиленимина (ПЭИ) на частотные зависимости емкости биосенсорных структур на основе p-Si и рассчитаны времена релаксации сигнала, измеренные в темноте и при освещении. Изменения характеристических времен при нанесении а-Si и ПЭИ вызвано тем, что заряд слоя ПЭИ при его адсорбции на поверхность a-Si приводит к перераспределению зарядов на электронных состояниях границ раздела структуры Si/SiO2/a-Si и в толще a-Si, увеличивая вклад медленных состояний в динамику изменения результирующей емкости от частоты.
Ключевые слова: гибридные структуры на основе полупроводника, полевой эффект, частотные характеристики, время релаксации сигнала.
В настоящее время существует большое количество работ, посвященных разработке и улучшению параметров ферментных биосенсоров, работающих на полевом эффекте. Наличие полупроводникового трансдьюсера в конструкции биодатчиков позволяет не только автоматизировать процесс измерения, но и повышает точность анализа.
Имеется ряд работ [1], в которых такого рода биосенсоры разрабатываются на основе структуры «электролит-диэлектрик-полупроводник». Особенностью нашей разработки является использование при создании биосенсорных структур фотостимулированной адсорбции органических компонентов [2] на полупроводниковую структуру, содержащих аморфное покрытие a-Si. Ранее нами было показано, что наличие подслоя a-Si [3] в таких структурах может существенно повысить чувствительность биосенсора. В работе [4] показано, что абсолютное значение напряжения плоских зон на вольт-фарадных характеристиках указанных структур и его изменение в зависимости от рН раствора, определяющие чувствительность биосенсорной структуры, существенно повышаются в условиях фотостимуляции кремниевой структуры во время адсорбции на неё органических нанослоёв.
Целью данной работы было исследование влияния слоев a-Si и полиэтиленимина (ПЭИ) на частотные характеристики структур на основе р-Si. Актуальность данного исследования обусловлена тем, что частотные характеристики важны для любого прибора электроники, поскольку определяются характеристическими временами, типичными для данной структуры и несут информацию о её параметрах.
Для экспериментов были использованы пластины р-Si толщиной около 400 мкм, на которые наносили а-Si толщиной 50 или 100 нм, имеющий электронную проводимость и высокое удельное сопротивление
[5].
Частотные характеристики измерялись с помощью зондовой станции Cascade Microtech и анализатора полупроводниковых приборов Agilent B1500A. Измерения проводились в диапазоне частот от 1 до 100 кГц при постоянном напряжении U=-1 В в темноте и при освещении белым светом (21000 лк).
На рис.1 показано изменение частотных характеристики структур Si/SiO2/a-Si за счёт слоя ПЭИ на поверхности, а на рис. 2 - за счёт изменения толщины a-Si.
без слоя ПЭИ со слоем ПЭИ
без слоя ПЭИ со слоем ПЭИ
100
10
Частота, кГц
10
Частота, кГц
Рис.1 C-f характеристики структур ^-Si/SiÜ2 со слоем a-Si толщиной 50 нм, измеренные в темноте (а) и при освещении интенсивностью 21000 лк (б)
Рис.2 С/характеристики структур ^-Si/SiO2/a-Si (а) и ^^^Юг/а^/ПЭИ (б),
измеренные при освещении
Время релаксации т сигнала рассчитывалось по формуле:
1
Т 2п
\
с1-с2
(C2xf2)2-(CiXfi)2
где С] и С2 — значения емкости на частотах /] и /2, соответственно. Значение частоты /2 выбиралось таким, чтобы величина емкости на этой частоте была в 0,7 раз меньше, чем при /].
Рассчитанные значения времени релаксации сигнала представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Толщина a-Si, нм Наличие слоя ПЭИ Режим работы Время релаксации тх10-3, с
50 Отсутствует В темноте 1,43
При освещении 69,31
Присутствует В темноте 0,12
При освещении 70,42
100 Отсутствует При освещении 99,89
Присутствует 160,51
Из рис. 1 следует, что в темноте на частотах < 10 кГц, слой ПЭИ уменьшает результирующую ёмкость структуры, а при частоте > 10 кГц -увеличивает. При освещении во время измерения слой ПЭИ приводит к уменьшению ёмкости структуры во всем диапазоне частот (от 1 до 100 кГц). Слой ПЭИ увеличивает время релаксации при освещении, в темноте - уменьшает.
Из рис. 2 следует, что на низких частотах (до 2,5 кГц) увеличение толщины a-Si при дополнительной подсветке приводит к увеличению результирующей ёмкости, а при более высоких частотах - к уменьшению. Для образцов, имеющих дополнительно слой ПЭИ, значения ёмкости уменьшаются при увеличении толщины a-Si. Также при увеличении толщины слоя a-Si растут характеристические времена для всех исследуемых структур вне зависимости от наличия слоя ПЭИ, но для структур с толщиной a-Si 100 нм увеличение времени релаксации при нанесении ПЭИ более значительное.
Результаты объяснены перераспределением зарядов на электронных состояниях границ раздела p-Si/SiO2/a-Si и в толще a-Si при адсорбции ПЭИ на поверхность a-Si, что увеличивает вклад медленных состояний а-Si в изменение результирующей емкости от частоты.
Библиографический список
1. Abouzar M.H., Poghossian A., Siqueira J.R., Oliveira O.N., Moritz W., Schoning M.J. Capacitive electrolyte-insulator- semiconductor structures functionalised with a polyelectrolyte/enzyme multilayer: New strategy for enhanced field-effect biosensing // Phys. Status Solidi A. 2010. V. 207. № 4. P. 884-890.
2. Стецюра С.В., Козловский А.В. Влияние фотоэлектронных процессов в полупроводниковой подложке на адсорбцию поликатионных и полианионных молекул // Письма в ЖТФ. 2017. Т. 43. Вып. 6. С. 15-22.
3. Стецюра С.В., Козловский А.В., Митин Д.М., Сердобинцев А.А. Влияние слоя аморфного кремния на адсорбционные свойства полупроводниковой структуры в условиях фотостимуляции // Письма в ЖТФ. 2019. Т. 45. Вып. 2. С. 14-17.
4. Светлицына Н.А., Стецюра С.В., Козловский А.В. Исследование структур для ферментативных биосенсеров, работающих на полевом эффекте // Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине - 2019: сб. статей Всероссийской школы-семинара, посвященной 110-летию Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского. - Саратов: Изд-во Саратовский источник. 2019. С. 93-96.
5. Митин Д. М., Александров В.А., Скапцов А.А., Вениг С.Б., Сердобинцев А.А. Особенности роста тонких плёнок аморфного кремния, полученных методом магнетронного распыления // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2015. №6. С. 31-37.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОЛИАНИЛИНА И ПЕРОКСИДАЗЫ ХРЕНА
Е.С. Федотова, Н.А. Бурмистрова Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: fedotova.eelena@yandex.ru
Аннотация: В работе проведено теоретическое изучение взаимодействия полианилина и пероксидазы хрена. Квантовохимический расчет участка цепи полианилина проводили методом Хартри-Фока (RHF 6-31G(d,p). Проведено сравнение геометрических и электронных характеристик олигомеров полианилина. Комплексы молекулы пероксидазы хрена с различным числом фрагментов полианилина изучены методом молекулярной механики (BIO+CHARMM). Показана возможность взаимодействия олигомеров полианилина с различными частями белковой молекулы.
Ключевые слова: полианилин, эмеральдин, пероксидаза хрена, RHF 6-31G(d,p), молекулярная механика.
Основание эмеральдина является одной из трёх форм полианилина (ПАНИ) - представителя класса органических высокомолекулярных полупроводников. Полимер находит применение в области экранирования электромагнитного излучения, защиты металлов от коррозии, в медицине и катализе [1]. Полианилин получают электрохимическими или химическими методами окислительной полимеризации анилина под действием сильных окислителей в сильнокислой среде при рН от 0,0 до 2,0 [2]. Нами показана возможность использования ПАНИ при синтезе молекулярно-импринтированного полимера для пероксидазы хрена (ПХ) на основе реакции окисления гидрохлорида анилина персульфатом аммония в слабокислой среде (рН ~ 4) [3]. Определенный интерес представляет теоретическое изучение процессов образования селективных сайтов связывания ПХ.
