Подложка анодного оксида алюминия. Источник: Игорь Никитин
Ученые обнаружили, что тонкие пленки оксида алюминия способны усиливать свечение органических молекул практически в пять раз. В отличие от аналогов из драгоценных металлов, оксид алюминия при этом более дешевый и химически стойкий материал. Результаты работы могут использоваться для создания доступных и эффективных медицинских диагностических сенсоров, таких как аллергочипы — устройства для диагностики аллергических реакций. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Optical Materials.
Сенсоры (или датчики) играют ключевую роль в современной медицине, помогая диагностировать различные заболевания. Эти устройства позволяют врачам оперативно получать данные о показателях здоровья — уровне кислорода в крови, артериальном давлении, — а также определять различные аллергические реакции и многое другое.
В последнее время люминесцентные (светящиеся) сенсоры находят все большее применение, так как обладают малыми габаритами и энергопотреблением, но при этом высокими точностью и скоростью отклика. Принцип работы таких сенсоров основан на «включении» свечения при взаимодействии сенсора и определенного вещества, например, антитела, которое выделяется в организме к конкретному типу аллергена. Однако традиционные методы изготовления таких сенсоров слишком сложны и дороги в производстве. Ученые по всему миру пытаются решить эту проблему, создавая новые материалы для сенсоров или улучшая характеристики уже существующих. При этом одно из самых важных свойств таких материалов — способность усиливать яркость исследуемого вещества, из-за чего увеличивается точность его определения.
Ученые из Международного научно-образовательного центра Физики наноструктур Национального исследовательского университета ИТМО (Санкт-Петербург) обнаружили, что тонкие пленки оксида алюминия способны усиливать яркость свечения органического красителя. Чтобы сформировать пленки, исследователи в вакуумной камере нанесли слой алюминия толщиной 160 нанометров (что сопоставимо со средними размерами вирусов) на стеклянные подложки. Затем пленки поместили в щавелевую кислоту и пропустили через раствор электрический ток. Такой процесс называется электрохимическим анодированием, а полученный материал — анодным оксидом алюминия. В этих условиях происходит окисление алюминия, и на поверхности образуется слой оксида. Именно этот слой и придает материалу свойства, необходимые для создания люминесцентных сенсоров.
С помощью лазерного сканирующего конфокального микроскопа исследователи определили, что при увеличении температуры раствора щавелевой кислоты свечение анодного оксида алюминия в зеленой области спектра усиливается. Так, яркость свечения увеличилась практически в пять раз, когда температуру окисления повысили с 5°С до 40°С. Авторы объясняют этот результат тем, что с ростом температуры электрохимические процессы ускоряются, и на поверхности пленки образуется большее количество центров свечения.
Это подтвердили с помощью сканирующего электронного микроскопа. Пленка, анодированная при 40°С, имела более четкое изображение, чем та, что была анодирована при 5°С. Это связано с образованием большего количества люминесцентных центров, которые увеличивают способность оксида алюминия проводить ток, благодаря чему заряд не накапливается и не «засвечивает» изображение.
Чтобы установить, как анодный оксид алюминия будет взаимодействовать с биологическими молекулами, ученые ввели в пленку из оксида алюминия краситель родамин 6G. Такой краситель часто используется в качестве индикатора для выявления различных химических и биологических веществ и других целей. Образец замачивали в растворе красителя при 60°С в течение суток.
Установка для анодирования. Источник: Игорь Никитин
Оказалось, что тонкая оксидная пленка усиливает яркость свечения красителя в красной области спектра. При этом у самой пленки свечение в зеленой области затухает. Это объясняется тем, что от центров свечения на поверхности анодного оксида алюминия к молекулам красителя передается энергия, которая практически полностью переходит в люминесценцию красителя. Причем этот эффект оказался более выраженным для пленки, окисленной при 40°С, — в этом случае яркость люминесценции красителя увеличилась в пять раз. Все из-за того, что молекулы красителя провзаимодействовали с большим количеством люминесцентных центров на поверхности нанопористого анодного оксида алюминия.
«На основе анодного оксида алюминия можно создать аллергочипы — устройства, позволяющие определить предрасположенность к аллергическим реакциям. Они уже есть, и их используют на практике, но это в основном зарубежные разработки, которые к тому же производят сложными методами, из-за чего аллергочипы стоят дорого. Оксид алюминия усиливает сигналы почти так же эффективно, как уже используемые в чипах материалы. Однако, в отличие от них, он дешевле и гораздо устойчивее к воздействию различных химических веществ. В дальнейшем мы планируем еще больше усилить люминесценцию в структуре, а также применить методики анодирования для получения упорядоченных структур. Такая технология будет столь же надежна, как уже использующаяся для создания аллергочипов», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Игорь Никитин, инженер-исследователь и аспирант первого года обучения Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
