9Библиографический список
1. Куротченко Л. В., Куротченко С. П., Луценко Ю. А., Субботина Т. И., Яшин А. А. Магнитотерапевтический аппарат для лечения импульсным бегущим магнитным полем // Вестник новых медицинских технологий. 2006. Т. 13. №1. С.160.
2. Никифоров В.Н. Биомедицинские применения магнитных наночастиц // Наука и технологии в промышленности. 2011. №1. С.90-99.
3. Ичкитидзе Л.П., Базаев Н.А., Телышев Д.В., Преображенский Р.Ю., Гаврюшина М.Л. Датчики магнитного поля в медицинской диагностике // Медицинская техника. 2014. № 6(288). С.19-23.
4. Петрова А.Р., Петров Р.В. Магнитоэлектрические датчики магнитного поля. Перспективы применения // Вестник новгородского государственного университета. 2018. № 4(110). С.4-9.
5. Стецюра С. В., Маляр И. В., Харитонова П. Г. Формирование наноразмерных и субмикронных стоков радиационных дефектов на поверхности фотопроводника // Прикладная физика. 2018. № 4. C. 68 - 73.
6. Вениг С.Б., Стецюра С.В., Глуховской Е.Г., Климова С.А., Маляр И.В. Формирование металлических кластеров в органическом монослое, полученном методом Ленгмюра // Нанотехника. 2009. Т. 3. Вып. 19. С. 49-54.
7. Rokakh A.G., Stetsyura S.V., Trofimova N.B., Elagina N.V. Stabilizing effect of doping with PbS on properties of CdSxSel-x wide-gap photoconductors // Inorganic Materials. 1999. Т. 35. № 5. С. 452-454.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РЕЗУЛЬТАТИВНОСТЬ АДСОРБЦИИ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТОВ ИЗ РАСТВОРА
А.А. Масленникова, А.В. Козловский, С.В. Стецюра Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: [email protected]
Аннотация: На этапе формирования буферного слоя полиэтиленимина и чувствительного слоя глюкозооксидазы биосенсорной структуры с полупроводниковым преобразователем сигнала исследовано влияние освещения полупроводниковой подложки оптическим излучением (физический фактор) и варьирования ионной силы растворов полиэлектролитов (химический фактор) на морфологию формирующихся органических нанослоев. Выводы сделаны на основе статистического анализа изображений атомно-силовой микроскопии.
Ключевые слова: фотостимулированная адсорбция, ионная сила раствора, полупроводник, фермент, полиэлектролит.
В настоящее время ферментные биосенсоры широко представлены на рынке, поскольку используются при анализе разнообразных биологических жидкостей и растворов в медицине, экологии, пищевой промышленности. Несмотря на популярность и многочисленные разработки в этой области проблемными характеристиками биосенсоров до настоящего времени остаются недостаточная чувствительность к
аналиту и порог этой чувствительности ферментных биосенсоров, работающих на полевом эффекте [1]. При этом разработка именно такой конструкции биосенсора актуальна, поскольку позволяет осуществлять контроль за результатами анализа по типу обратной связи, что достигается за счет совместимости биосенсоров на полевом эффекте с микропроцессорами и другими элементами электроники.
Приоритетным направлением улучшения характеристик биосенсорных систем является возможность повышения чувствительности к аналиту путём увеличения количества молекул в монослое фермента. Наиболее распространенные методы повышения плотности ферментного слоя можно условно разделить на 3 группы: химические, физические и комбинированные. В нашей работе основное внимание уделяется комбинированным методам воздействия, поскольку использование только химических методов не позволяет достигнуть желаемых результатов.
Используя при создании гибридной биосенсорной структуры в качестве основной технологии послойную адсорбцию из раствора [2] на полупроводниковую подложку, мы применяли на этапе формирования буферного слоя полиэтиленимина (ПЭИ) и чувствительного слоя глюкозооксидазы (GOx) фотостимулирование полупроводниковой подложки оптическим излучением (физический фактор) и варьирование ионной силы растворов полиэлектролитов (химический фактор). Оба фактора, несмотря на различную природу, объединяет то, что они изменяют зарядовое состояние компонентов формирующейся гибридной структуры.
На рис. 1 показаны сканы атомно-силовой микроскопии (АСМ) и соответствующие им профили, демонстрирующие изменение морфологии поверхности кремниевой структуры при нанесении на нее последовательно слоёв ПЭИ и GOx. Эти образцы были синтезированы из растворов ПЭИ и GOx, которые получали на основе деионизованной воды.
Как было показано в наших предыдущих работах [3], изучение морфологии поверхности по АСМ-сканам позволяет судить об однородности по толщине наноразмерного покрытия ПЭИ (рис. 1а) и о количестве адсорбированных молекул фермента GOx (рис. 1б и 1в). Величина и форма неровностей на профилях, соответствующих сканам, а также сведения о геометрических размерах адсорбируемых макромолекул и их возможных конформациях, позволяют делать выводы о возможных процессах агрегации молекул и равномерности их распределения по поверхности при иммобилизации.
12
Е с
12
Е с
О
щ ' \ -
1
' ? V' . * •
500 пт ■ 3'
цт
2°0 12
(дт
цт
2°0 12
-в) '/.< >
1 >» _{+ я , > -' * •. 1 >
V: . • Ш ; • А' .
5—^ з . • 500 пт
0 |дт 1
цт
2°0 12
цт
О
О цт 2 0 цт ¿1) цт
Рис. 1. Изменение морфологии поверхности структуры на основе п^, наблюдаемое после адсорбции ПЭИ (а), и последующего темнового (б) или светового (в) нанесения
ООх
2°0
5.0 пт
4.0
3.0
2.0
0.0
При добавлении в водные растворы ПЭИ или GOx соли №0 в концентрации 0,25 моль/л были также получены гибридные многослойные сенсорные структуры типа n-Si/ПЭИ/GOx, которые изучались с помощью АСМ. Статистическая обработка АСМ-сканов, полученных с этих образцов, позволила построить диаграммы, показанные на рис. 2. Из рис. 2а следует, что освещение приводит к получению более гладкого (однородного по толщине) покрытия ПЭИ в случае адсорбции из бессолевого раствора и к обратному эффекту при адсорбции из раствора с добавлением N0. Это объясняется изменением конформации молекул ПЭИ за счет электростатического притяжения к подложке [4] и за счет частичного экранирования заряда ПЭИ ионами ЫаС1 [5].
б)
О 0,25
Концен1рацня N:1 ( I в растворе ПЭИ, моль/л
О 0,25
Концентрация КаС1 в растворе ПЭИ, моль/л
Рис. 2. Соотношение средних высот неровностей Н, наблюдаемых после темнового и светового нанесения на п^ молекул ПЭИ (а) и GOx (б) из растворов, содержащих и не
содержащих №0
Из рис. 2б следует, что освещение существенно увеличивает поверхностную концентрацию иммобилизованных молекул GOx в случае осаждения из бессолевого раствора, но практически не влияет на адсорбцию GOx из раствора, содержащего ионы Na и Cl, нейтрализующие заряд GOx.
Необходимо отметить, что замена GOx другими ферментами, продукты которых определяются стандартным образом, существенно расширяет диапазон определяемых с помощью биосенсора субстратов. Для результативного применения предлагаемых аспектов технологии принципиально лишь наличие электрического заряда у фермента в растворе. Поскольку большинство ферментов являются полиэлектролитами с преобладанием отрицательного или положительного заряда в растворе с нейтральным рН, то внедрение указанных технологических изменений в практику послойного осаждения позволит улучшить технические характеристики практически любых ферментных биосенсоров, работающих на полевом эффекте.
Библиографический список
1. Schöning M.J. Playing around» with Field-Effect Sensors on the Basis of EIS Structures. LAPS and ISFETs // Sensors. 2005. V.5. P.126-138.
2. Decher G. Fuzzy nanoassemblies: toward layered polymeric multicomposites // Science, 1997. V.277. P.1232-1237.
3. Malyar I.V., Gorin D.A., Santer S., and Stetsyura S.V. Photocontrolled Adsorption of Polyelectrolyte Molecules on a Silicon Substrate // Langmuir, 2013. V.29(52). P.16058-16065.
4. 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.
5. Maslennikova A.A., Kozlowski A.V., Santer S. and Stetsyura S.V. The influence of illumination and ionic strength of a solution on the formation of biosensor structure based on a silicon substrate and glucose oxidase molecules // Journal of Physics: Conference Series, 2019. V.1400. 077052 (6 p.).
