Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия

На основе теории связующих центров (site-binding theory) исследованы физико-химические процессы, которые происходят на поверхности пленки нанокристаллического оксида церия при взаимодействии с биохимическими комплексами. Проведены исследования ИСПТ (ионно-селективных полевых транзисторов) с диэлект...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Дата:	2009
Автор:	Максимчук, Н.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76545
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия / Н.В. Максимчук // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 813-824 . — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859471080321712128
author	Максимчук, Н.В.
author_facet	Максимчук, Н.В.
citation_txt	Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия / Н.В. Максимчук // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 813-824 . — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
description	На основе теории связующих центров (site-binding theory) исследованы физико-химические процессы, которые происходят на поверхности пленки нанокристаллического оксида церия при взаимодействии с биохимическими комплексами. Проведены исследования ИСПТ (ионно-селективных полевых транзисторов) с диэлектриком на основе нанокристаллических пленок оксида церия для создания чувствительных, стабильных и надежных биосенсоров. Исследование проходных и выходных характеристик ИСПТ с разным типом диэлектрика (SiО2—Si3N4 и нанокристаллический CeOx) показало увеличение рН-чувствительности по току стока ИСПТ с CeOx- диэлектриком благодаря высокой плотности поверхностных чувствительных центров (до 1020 м−2 ), большому значению диэлектрической проницаемости (ε = 26) и ширины запрещенной зоны (3,6 эВ) оксида церия, что приводит к уменьшению токов потерь через диэлектрик. Показаны результаты применения ИСПТ с нанокристаллической пленкой CeOx в высокоспецифических иммунных биосенсорах токсичности, принцип действия которых базируется на изменении рН в результате образования иммунного комплекса между антителом и микотоксином. На основі теорії зв’язувальних центрів (site-binding theory) досліджено фізико-хемічні процеси, що відбуваються на поверхні плівки нанокристалічного оксиду церію при взаємодії з біохемічними комплексами. Ви- конано дослідження ЙСПТ (йонно-селективних польових транзисторів) з діелектриком на основі нанокристалічних плівок оксиду церію для створення чутливих, стабільних і надійних біосенсорів. Дослідження прохідних та вихідних характеристик ЙСПТ з різним типом діелектрика (SiO2— Si3N4 та нанокристалічний CeOх) показало збільшення рН-чутливости за струмом стікання ЙСПТ з CeOх-діелектриком завдяки високій густині поверхневих чутливих центрів (до 1020 м−2 ), високим значенням діелектричної проникности (ε = 26) та ширини забороненої зони (3,6 еВ) оксиду церію, що призводить до зменшення струмів втрат через діелектрик. Показано результати застосування ЙСПТ з нанокристалічною плівкою CeOх у високоспецифічних імунних біосенсорах токсичности, принцип дії яких базується на зміні рН в результаті утворення імунного комплексу між антитілом та мікотоксином. Physical and chemical processes, which take place on the surface of nanocrystalline cerium-oxide thin film during interaction with biochemical complexes, are studied using site-binding theory. Ion selective field effect transistors (ISFETs) with the nanocrystalline CeOх dielectric layer are investigated for the creation of sensitive, stable, and reliable biosensors. Investigation of transfer and output parameters of ISFETs with different types of the dielectric layer (SiO2—Si3N4 and CeOх) shows an increase in pH-sensitivity by drain current of ISFET with CeOх dielectric layer caused by high density of the sensitive sites on the CeOх surface (up to 1020 m−2 ), high dielectric constant (ε = 26) and energy gap (3.6 eV) of cerium oxide with a consequent reduction of loss current through dielectric. The results of application of the ISFETs with CeOх nanocrystalline film in highly-specialized immune biosensors for toxicity determination are presented. Operating principle of such sensors is based on PH change as a result of formation of immune complex between antibody and micotoxin.
first_indexed	2025-11-24T09:51:16Z
format	Article
fulltext	813 PACS numbers: 81.07.Bc, 82.47.Rs, 82.65.+r, 85.30.Tv, 87.80.Kc, 87.80.Qk, 87.85.fk Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия Н. В. Максимчук Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», просп. Победы, 37, 03056 Киев, Украина На основе теории связующих центров (site-binding theory) исследованы фи- зико-химические процессы, которые происходят на поверхности пленки нанокристаллического оксида церия при взаимодействии с биохимически- ми комплексами. Проведены исследования ИСПТ (ионно-селективных по- левых транзисторов) с диэлектриком на основе нанокристаллических пле- нок оксида церия для создания чувствительных, стабильных и надежных биосенсоров. Исследование проходных и выходных характеристик ИСПТ с разным типом диэлектрика (SiО2—Si3N4 и нанокристаллический CeOx) по- казало увеличение рН-чувствительности по току стока ИСПТ с CeOx- диэлектриком благодаря высокой плотности поверхностных чувствитель- ных центров (до 1020 м −2), большому значению диэлектрической проницае- мости (ε = 26) и ширины запрещенной зоны (3,6 эВ) оксида церия, что при- водит к уменьшению токов потерь через диэлектрик. Показаны результаты применения ИСПТ с нанокристаллической пленкой CeOx в высокоспеци- фических иммунных биосенсорах токсичности, принцип действия которых базируется на изменении рН в результате образования иммунного ком- плекса между антителом и микотоксином. На основі теорії зв’язувальних центрів (site-binding theory) досліджено фізико-хемічні процеси, що відбуваються на поверхні плівки нанокрис- талічного оксиду церію при взаємодії з біохемічними комплексами. Ви- конано дослідження ЙСПТ (йонно-селективних польових транзисторів) з діелектриком на основі нанокристалічних плівок оксиду церію для ство- рення чутливих, стабільних і надійних біосенсорів. Дослідження прохід- них та вихідних характеристик ЙСПТ з різним типом діелектрика (SiO2— Si3N4 та нанокристалічний CeOх) показало збільшення рН-чутливости за струмом стікання ЙСПТ з CeOх-діелектриком завдяки високій густині по- верхневих чутливих центрів (до 1020 м −2), високим значенням діелектрич- ної проникности (ε = 26) та ширини забороненої зони (3,6 еВ) оксиду це- рію, що призводить до зменшення струмів втрат через діелектрик. Пока- Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 3, сс. 813—824 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 814 Н. В. МАКСИМЧУК зано результати застосування ЙСПТ з нанокристалічною плівкою CeOх у високоспецифічних імунних біосенсорах токсичности, принцип дії яких базується на зміні рН в результаті утворення імунного комплексу між ан- титілом та мікотоксином. Physical and chemical processes, which take place on the surface of nanocrys- talline cerium-oxide thin film during interaction with biochemical com- plexes, are studied using site-binding theory. Ion selective field effect tran- sistors (ISFETs) with the nanocrystalline CeOх dielectric layer are investi- gated for the creation of sensitive, stable, and reliable biosensors. Investiga- tion of transfer and output parameters of ISFETs with different types of the dielectric layer (SiO2—Si3N4 and CeOх) shows an increase in pH-sensitivity by drain current of ISFET with CeOх dielectric layer caused by high density of the sensitive sites on the CeOх surface (up to 1020 m −2), high dielectric con- stant (ε = 26) and energy gap (3.6 eV) of cerium oxide with a consequent re- duction of loss current through dielectric. The results of application of the ISFETs with CeOх nanocrystalline film in highly-specialized immune biosen- sors for toxicity determination are presented. Operating principle of such sensors is based on PH change as a result of formation of immune complex between antibody and micotoxin. Ключевые слова: нанокристаллические пленки, оксид церия, биосенсо- ры, ионоселективные полевые транзисторы (ИСПТ), иммунный и фер- ментный анализ, токсины. (Получено 12 ноября 2008 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Одной из главных задач нашего времени является изучение токсиче- ского действия различных веществ, в том числе и лекарственных препаратов, и продуктов питания, на биохимические процессы, про- исходящие в живом организме. Современные физико-химические методы (хроматография, спектроскопия, ЯМР), какими бы они ни были совершенными, не могут дать ответ на основной вопрос: на- сколько опасной является та или иная концентрация вещества в пробе или смесь часто неизвестных веществ? Мощным инструментом для таких исследований являются био- сенсоры на основе ионоселективных полевых транзисторов (ИСПТ). ИСПТ способны регистрировать сложные химические и биологиче- ские процессы – биохимические реакции, сопровождающиеся пе- реносом зарядов или окислительно-восстановительными процесса- ми (например, механизмы ионного обмена и транспорта через мем- брану). Базируясь на функциональных принципах ИСПТ и числен- ных предварительных исследованиях, вполне реально, что новое поколение биосенсоров на основе ИСПТ, способно непосредственно отслеживать такие внутриклеточные процессы как абсорбция, рас- ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БИОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ CeOx 815 пространение, метаболизм, элиминация [1, 2]. Исследование всех этих процессов позволяет создавать инструменты для мониторинга химического и биологического загрязнения, изучения действия ле- карственных препаратов, анализов генной инженерии и геномной медицины [1]. На основе ИСПТ разработано большое количество биосенсоров, биологическим распознавательным элементом которых служили иммобилизированные ферменты, нуклеиновые кислоты, антитела, живые клетки [1—3]. Современные ИСПТ в качестве чувствительного диэлектрика ис- пользуют SiO2, Si3N4, Ta2O5 и характеризуются недостаточной чув- ствительностью для обеспечения чувствительности на уровне стек- лянных ионоселективных электродов [3]. Это объясняется тем, что в окисле и на границе раздела окисла с полупроводником сущест- вуют зарядовые состояния, которые ответственны за нестабиль- ность и дрейф. Получение качественных окислов SiO2, имеющих малую концен- трацию поверхностных состояний Qss (до 1010 см −2⋅эВ−1) и небольшое количество подвижных зарядов связано с большими техническими трудностями. Кроме того, поверхность SiO2 обладает сравнительно малой концентрацией ион-чувствительных центров (порядка 1013 см−2). Нитрид кремния имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с двуокисью кремния: большую электрическую проч- ность, химическую стойкость в кислотно-щелочных средах и непро- ницаемость для подвижных ионов натрия, более высокую плотность поверхностных чувствительных центров (до 1015 см −2), что приводит к высокой рН-чувствительности. Основным недостатком Si3N4 явля- ется большая плотность поверхностных состояний на границе с кремнием. Однако при использовании двухслойного диэлектрика (сэндвича SiO2—Si3N4), в котором сохраняются преимущества обоих материалов, нестабильность структур значительно уменьшается. В качестве чувствительного диэлектрического слоя можно ис- пользовать также пятиокись тантала. Этот материал имеет весьма высокую плотность поверхностных центров, в результате чего дости- гается высокая рН-чувствительность. Однако при исследованиях Ta2O5 было показано, что при катодной поляризации полупроводни- ка относительно электролита в области напряжений −1—−1,5 В воз- никает резкий рост токи утечек через диэлектрик до значений более 100 нА. Для сравнения необходимо отметить, что в аналогичных ус- ловиях токи утечек для SiO2 составляют 50—100 нА при напряжени- ях −1—−2 В, для двухслойного диэлектрика SiO2—Si3N4 токи утечек не превышают 5—15 нА [3], а для СеО2 токи утечек составляют 10−12— 10−13 А при тех же напряженностях электрического поля. Оксид церия CeO2 имеет ряд существенных преимуществ по срав- нению с двуокисью кремния и нитридом кремния: высокая диэлек- 816 Н. В. МАКСИМЧУК трическая проницаемость ε = 26 и, соответственно, большая элек- трическая прочность, что позволяет использовать еще более тонкие диэлектрические слои; ширина запрещенной зоны Eg = 3,6 эВ, что обуславливает лучшую диэлектрическую изоляцию структуры, и уменьшает токи утечки через диэлектрик; химическая стойкость в кислотно-щелочных средах и непроницаемость для подвижных ио- нов натрия; более высокую плотность поверхностных чувствитель- ных центров (до 1016 см −2), что приводит к высокой рН-чувствитель- ности; параметр несовпадения постоянных решеток CeO2 и кремния – Δa/a = 0,35%, что обеспечивает лучшую адгезию с Si и, как след- ствие, уменьшение плотности поверхностных состояний, увеличение крутизны ВАХ характеристик, а также повышение pH-чувствитель- ности сенсоров на основе ИСПТ; высокая термическая стабильность; качественная иммобилизация биохимических элементов при созда- нии биосенсоров. В сенсорных устройствах диэлектрические пленки, нанесенные на полупроводник, играют как пассивную роль собственно диэлек- трического слоя, так и роль химически чувствительной мембраны (рН-чувствительной). Это предъявляет достаточно жесткие условия по их качеству (толщине и однородности), учитывая, что площадь контакта с электролитом может быть относительно большой (от 0,1 до десятков мм 2). В данной работе были исследованы ИСПТ с нанокристалличе- скими диэлектрическими пленками CeOх для создания биосенсоров токсичности высокой специфичности и чувствительности. 1. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ОКСИДА ЦЕРИЯ – ИОН-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО СЛОЯ ИСПТ Технология изготовления ИСПТ аналогична технологии изготовле- ния МДПТ. Расхождения касаются только затворной области: в ИСПТ отсутствует металлический затвор, а подзатворный диэлек- трик погружен в исследуемый раствор. В качестве внешнего затвор- ного диэлектрика ИСПТ использовались тонкие нанокристалличе- ские пленки оксида церия, которые изготовлялась методом «окисле- ния металлического зеркала», при котором сначала электронно- лучевым испарением получали тонкие пленки церия. Данная техно- логия позволяет получать качественные тонкие пленки диоксида це- рия. Преимуществом ее является то, что она проводится на стан- дартном оборудовании при относительно низких температурах, дос- таточно проста и не требует много времени. Пленки, полученные по данной технологии, отличаются равномерностью по толщине и одно- родностью параметров. Давление в камере составляло 10−5 Па, ток эмиссии равнялся 140 мА, ускоряющее напряжение – 12 кВ, темпе- ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БИОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ CeOx 817 ратура подложки находилась в пределах 170—180°С. После напыле- ния пленки подложки выдерживалась при данной температуре 10 мин. С целью получения равномерной по толщине пленки церия напыление проводилось в два этапа, после первого этапа пластины поворачивались на 180°. Окисление церия проводилось в диффузи- онной печи при температуре 300°С в кислородной среде. Для стаби- лизации отклика ИСПТ пленка оксида церия изготавливалась на тонком слое оксида кремния, который предварительно выращивался на подложке термическим окислением. В работе исследовались ИСПТ с двумя типами диэлектриков: SiO2—Si3N4, dSiO2 = 10 нм, dSi3N4 = 50 нм и SiO2—CeO2, dSiO2 = 10 нм, dCeO2 = 50 нм. Измерения проводились при комнатной температуре и атмосферном давлении. Для измерения pH-чувствительности ис- пользовались стандартные буферные растворы с pH: 12,45, 9,18, 6,86, 4,01, 3,56, 1,68 (ГОСТ 8.135-2004). 2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СЕНСОРОВ НА ОСНОВЕ ИСПТ В основе работы различных химических и биологических сенсоров на основе ИСПТ лежит изменение поверхностного потенциала на границе электролит—диэлектрик. В зависимости от методов, позво- ляющих реализовать изменение поверхностного потенциала, сенсо- ры можно разделить на две категории: иммунные или аффинные и каталитические (ферментные). Работа иммунных сенсоров основана на специфической реакции между антителом и определяемым веще- ством, выступающим в роли антигена с образованием комплекса на поверхности диэлектрика, что в свою очередь приводит к изменению поверхностного потенциала на границе электролит—диэлектрик [1, 4]. В качестве антигена могут быть клетки микроорганизмов, виру- сы, белки и полисахариды. Иммунные методы отличаются высокой специфичностью, чувствительностью и простотой исполнения. Ан- титело способно селективно связываться с аналитом (антигеном), ко- торый находится в диапазоне концентраций от нМ до пМ в присутст- вии тысяч других веществ, даже если их концентрация превышает концентрацию аналита на 2—3 порядка [5]. Ферментные (каталити- ческие) сенсоры используют каталитические реакции с участием ферментов, продукты который (ионы водорода, гидроксила и т.д.) так же вызывают изменение рН, что, в свою очередь, влияет на заря- довое состояние на границе электролит—диэлектрик. Принцип работы иммунных и ферментных сенсоров токсичности основан на ингибировании токсическими веществами биохимиче- ских реакций, что приводит к снижению первичного сигнала сен- сора. Процент ингибирования вычисляется следующим образом [6]: 818 Н. В. МАКСИМЧУК = × −0 1 0100 ( ) / ,I E E E где E0 и E1 – сигнал до и после воздействия токсина. В каталитических анализах на поверхности диэлектрика иммо- билизируют вещество катализатора и вводят анализируемый рас- твор. Среда приготовлена таким образом, что субстрат вступает в химическую реакцию только при диффундировании к ферменту, при этом происходит окисление и образование дополнительных но- сителей заряда, которые детектируются с помощью ИСПТ. Что касается определения в растворе ионов с большим ионным радиусом, которые, как правило, не могут приблизиться к поверх- ности диэлектрика на расстояние, при котором возможна химиче- ская реакция, метод связующих центров здесь не работает. Однако, можно использовать такую реакционную среду на поверхности ди- электрика, что определяемые частички будут вступать в реакцию с образованием избыточной концентрации ионов водорода. Таким образом, анализируемые ионы будут косвенно определяться по из- ТАБЛИЦА. ИСПТ-биосенсоры токсических веществ. № Область применения Принцип работы биосенсора Чувстви- тельность Ссылка 1 Микросхема для кон- троля клеточного ме- таболизма и электри- ческой активности нейронов, может при- меняться для опреде- ление токсичности Изменения рН в результате окис- ления среды, вызванного метабо- лической активностью клеточной популяции 56 мВ/рН [7] 2 Определение органо- фосфорных и карба- матных пестицидов: параоксона карбофурана Ингибирование токсином реак- ции образования Н + в результате гидролиза ацетилхолина фермен- том ацетилхолинестеразой, им- мобилизированной фотополиме- ризацией 5⋅10−9 М/л 10−8 М/л [6] 3 Определение ионов тяжелых металлов Ингибирование ферментативной реакции разложения мочевины с помощью уреазы с образованием продуктов NH3 и CO2, изменяю- щих рН 2⋅10−6—10−4 М [8] 4 Определение гликоал- калоидов в картошке Ингибирование реакции, катали- зируемой бутирилхолинестера- зой 10−6 М [9] 5 Определение стафилококкового эн- теротоксина Рицина Y. pestis Изменение физических или спек- троскопических свойств поверх- ности, на которой иммобилизи- рованы антитела в результате образования комплекса антите- ло—антиген 5 нг/мл 25 нг/мл 15 нг/мл [10] ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БИОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ CeOx 819 менению концентрации протонов Н +. В таблице представлены некоторые ИСПТ-биосенсоры токсиче- ских веществ. 2.1. Определение с помощью дистанционного эффекта поля Как правило, данный метод применим для определения больших за- ряженных молекул и органических полимеров, которые не участву- ют в простых реакциях. В основном такие макромолекулы имеют определенную структуру, которая характеризует их молекулярную активность. В таких случаях характеристика отдельных компонен- тов макромолекулы представляет больший интерес, чем определение ее существования (наличия). Таким образом, даже если существует простая реакция, которая влияет на рН раствора, определение ки- слотности с помощью ИСПТ не окажется полезным, поскольку ИСПТ не дают никакой информации о структуре. Несмотря на это, для детектирования таких макромолекул ИСПТ могут применяться другим способом. Основная идея заключается в использовании внут- реннего заряда макромолекул, так как большинство биологических полимеров заряжены внутри. Если молекула подойдет достаточно близко к поверхности диэлектрика, ее заряды индуцируют в полу- проводнике заряды противоположного знака благодаря эффекту по- ля (рис. 1). Конечно, не следует ожидать, что при этом будет достигнута такая же чувствительность, как при определении рН, так как заряды не Рис. 1. Определение макромолекул с помощью эффекта поля. 820 Н. В. МАКСИМЧУК будут находиться точно на поверхности, а на некотором расстоянии, по крайней мере, на расстоянии внешней плоскости Гельмгольца. К тому же многие эффекты, включая ионное взаимодействие вокруг молекулы, поверхностный заряд, могут экранировать заряды мак- ромолекул [1]. 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛЕНОК ОКСИДА ЦЕРИЯ Физико-химические процессы, которые имеют место при наличии зарядов на поверхности диэлектрика, описываются с помощью тео- рии связующих центров (site-binding theory) [1]. Как правило, эти явления возникают только в пределах молекулярных дистанций и не распространяются на большие расстояния подобно электроста- тическим силам. Следовательно, можно предположить, что воз- можны только те химические реакции, которые происходят внутри внешнего плана Гельмгольца (рис. 2). Очевидно, что ионы раство- ренных солей не могут присутствовать в этой малой области, и ни одна химическая реакция с участием этих ионов происходить не может. В этом случае можно пренебречь специфической абсорбцией ионов солей. Единственные частицы, которые попадают во внеш- ний план Гельмгольца – это ионы водорода, так как они имеют ма- лые размеры и не гидратированы, что способствует их приближе- нию к поверхности, где происходит химическая реакция. Поверхность любого оксида всегда содержат гидроксильные группы. В случае с оксидом церия это СеOH группы, благодаря ко- Ce Ce Ce Ce Ce Ce âíåøíèé âíóòðåííèé ïëàí Ãåëüìãîëüöà äèôôóçèîííûé ñëîé ýëåêòðîëèò H+ ÷óâñòâèòåëüíàÿ ìåìáðàíà + + + + − − + − OH O− OH O− OH 2 OH 2 + + Рис. 2. Взаимодействие ионов водорода с амфотерными группами на по- верхности диэлектрика. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БИОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ CeOx 821 торым происходит изменение поверхностного заряда оксида при изменении рН. Эти группы могут отдавать или принимать протоны из раствора, оставляя негативно или позитивно заряженную группу на поверхности соответственно в зависимости от рН раствора [3]. Между протонами в растворе и гидроксильными группами, образо- ванными на границе раздела СеО2—раствор происходят равновесные реакции: − +⇔ +CeOH CeO HB , (1) + +⇔ +2CeOH CeOH H ,B (2) где + BH – протоны в объеме раствора. Согласно модели, основанной на теории связующих центров, основное выражение для рН чувствительности имеет вид: ∂ψ = − α ∂ 0 2,3 bulk kT pH q , α = β +2 int 1 (2,3 / ) 1difkTC q , (3) где ψ0 – поверхностный потенциал центров захвата на границе ди- электрик—раствор, основа рН-чувствительной природы ИСПТ; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютна температура, pHbulk – рН раствора в объеме; величина α – безразмерный параметр чувстви- тельности, значение которого может изменяться от 0 до 1 и зависит от собственной буферной емкости поверхности диэлектрика βint и дифференциальной емкости двойного слоя Cdif. Если значение α при- ближается к 1, то ИСПТ демонстрирует так называемую Нернстов- скую чувствительность 59 мВ/рН при 289 К. Из выражения (3) вид- но, что это случай большого значения собственной буферной емко- сти, которое зависит от трех параметров материала диэлектрика: константы равновесия диссоциации кислоты, константы равновесия диссоциации щелочи амфотерных групп на поверхности оксида, а также общей плотности доступных связующих центров. 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСПТ Концентрация ионов водорода в растворе может быть определена по смещению порогового напряжения ИСПТ или по изменению тока стока IС, в канале транзистора. На рисунках 3, 4 представлены экс- периментальные характеристики исследуемых ИСПТ. При уменьшении рН раствора увеличивается величина положи- тельного заряда на поверхности ион-чувствительного диэлектрика. Поскольку в работе использовались р-канальные ионоселективные полевые транзисторы, то увеличение положительного заряда на по- верхности диэлектрика должно приводить к уменьшению проводимо- 822 Н. В. МАКСИМЧУК сти канала, а значит и к снижению тока стока, что и наблюдается как для структуры SіО2—Sі3N4, так и для SiO2—CeO2. Как показали экспе- рименты, наиболее линейный и стабильный отклик для проходных характеристик наблюдался при напряжении UЗИ = 10 В для обоих ти- пов диэлектрических структур. Из этого следует, что целесообразно использовать это значение напряжения при создании сенсорной сис- темы. Для выходных характеристик приложение большего по модулю значения напряжения на электроде сравнения должно приводить к увеличению проводимости канала ИСПТ, что и наблюдалось при экс- периментальном исследовании обеих типов сенсоров. −20 −16 −12 −8 −4 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Si 3 N 4 CeO 2 pH = 11,0 pH = 9,18 pH = 7,0 pH = 5,8 pH = 4,01 I C , ì ê À U çè , Â Рис. 3. Влияние рН раствора на проходные характеристики ИСПТ при фиксированном напряжении UСИ = 5 В для диэлектрических структур SiO2—Si3N4 и SiO2—CeO2. 0 1 2 3 4 5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 CeO 2 SiN 4 pH = 11,0 pH = 9,18 pH = 7,0 pH = 4,01 I C , ì ê À U ÑÈ , Â Рис. 4. Влияние рН раствора на выходные характеристики ИСПТ при фик- сированном напряжении UЗИ для диэлектрических структур SiO2—Si3N4 и SiO2—CeO2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БИОХИМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ CeOx 823 Зависимости электрического потенциала на поверхности диэлек- трика от значения рН раствора имеют линейный характер для обоих типов структур: SiO2—Si3N4 и SiO2—CeO2. Рассчитанная на основе экс- периментальных данных рН-чувствительность для диэлектрической структуры SiO2—Si3N4 составляла 53 мВ/рН. Для структуры SiO2—CeO2 она равнялась 58 мВ/рН, что близко к максимально возможной чувст- вительности для структуры полупроводник—диэлектрик—раствор, так называемой Нернстовской чувствительности, которая согласно тео- рии связующих центров составляет 59 мВ/рН. Исследование характеристик ИСПТ показало, что чувствитель- ность по накопленному заряду для диэлектрической структуры SiO2—CeO2 выросла на 6 мВ в сравнении с SiO2—Si3N4, а чувствитель- ность по току стока за счет большой диэлектрической проницаемо- сти оксида церия (ε = 26) увеличилась более чем в два раза. Так по выходным характеристикам при UСИ = 5 В и UЗИ = 18 В чувстви- тельность по току стока для SiO2—CeO2 составляет 1,4 мкА/рН, то- гда, как SiO2—Si3N4 эта величина равняется 0,6 мкА/рН. 5. ВЫВОДЫ Для измерения концентрации токсических веществ, которые могут реагировать как с соответствующими ферментами, так и антитела- ми с образованием протонов, целесообразно использовать ИСПТ с повышенной чувствительностью и стабильностью. Современные ИСПТ в качестве чувствительного диэлектрика ис- пользуют SiO2, Si3N4, Ta2O5 и характеризуются недостаточной чувст- вительностью для обеспечения чувствительности на уровне стеклян- ных ионоселективных электродов. Это объясняется тем, что в окисле и на границе раздела окисла с полупроводником существуют зарядо- вые состояния, которые ответственны за нестабильность и дрейф ха- рактеристик, связанный с диффузией основных и возмущающих ио- нов таких, как ионы калия и натрия, внутрь диэлектрика. рН-чувствительность для структуры SiO2—CeO2 по сравнению с SiO2—Si3N4 увеличилась на 9,4% и составляет 58 мВ/рН, что близко к максимально возможной чувствительности для структуры полупро- водник—диэлектрик—раствор, так называемой Нернстовской чувст- вительности, которая составляет 59 мВ/рН. Следовательно, учиты- вая высокую химическую стойкость и простоту получения тонких пленок CeO2, можно считать их весьма перспективным для использо- вания в качестве ион-чувствительного материала ионоселективных полевых транзисторов – основного элемента мультисенсорних сис- тем биомедицинского назначения, в том числе для определения кон- центрации токсических веществ. Работа выполнена в рамках государственной программы «Сенсор- ные системы». Авторы выражают благодарность М. Г. Душейко и 824 Н. В. МАКСИМЧУК Ю. В. Ясиевичу за предоставление образцов вакуумных конденсатов. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Waleed Shinwari, M. Jamal Deen, and D. Landbeer, Microelectronic Reliability (2006). 2. Y. Fang and A. Offenhaeusser, Med. Sci. Monit., 10, No. 12: 127 (2004). 3. О. М. Шмирєва, Д. О. Родак, Наукові вісті КПТ, № 4: 32 (2007). 4. Ю. М. Евдокимов, В. С. Бундин, М. А. Островский, Сенсорные системы, 11, № 4: 374 (1997). 5. A. Ramanaviciene and A. Ramanavicius, Critical Revievs in Analytical Chemis- try, 32, No. 3: 245 (2002). 6. F. Flores, J. Artigas, J.-L. Marty et al., Anal. Bioanal. Chem., 376: 476 (2003). 7. S. Martіnoіa, N. Rossoa, M. Grattarolaa et al. Bіosensors and Bіoelectronіcs, 16, No. 9—12: 1043 (2001). 8. С. В. Дзядевич, О. П. Солдаткін, Наукові та технологічні засади створен- ня мініатюрних електрохімічних біосенсорів (Київ: Наукова думка: 2006). 9. N. Arkhypova, V. El’lskaya, J.-M. Gravoueille et al., Sensors and Actuators B (2004). 10. R. M. Wadkins, J. P. Golden, L. M. Pritsiolas, and F. S. Ligler, Biosensors and Bioelectronics, 3, No. 3—4: 407 (1997). 11. C. Durrieu, C. Chouteau, L. Barthet, J.-M. Chovelon et al., Analytical Letters, 12, No. 8: 1589 (2004).
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76545
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	1816-5230
language	Russian
last_indexed	2025-11-24T09:51:16Z
publishDate	2009
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
record_format	dspace
spelling	Максимчук, Н.В. 2015-02-10T19:52:50Z 2015-02-10T19:52:50Z 2009 Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия / Н.В. Максимчук // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 3. — С. 813-824 . — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 81.07.Bc,82.47.Rs,82.65.+r,85.30.Tv,87.80.Kc,87.80.Qk,87.85.fk https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76545 На основе теории связующих центров (site-binding theory) исследованы физико-химические процессы, которые происходят на поверхности пленки нанокристаллического оксида церия при взаимодействии с биохимическими комплексами. Проведены исследования ИСПТ (ионно-селективных полевых транзисторов) с диэлектриком на основе нанокристаллических пленок оксида церия для создания чувствительных, стабильных и надежных биосенсоров. Исследование проходных и выходных характеристик ИСПТ с разным типом диэлектрика (SiО2—Si3N4 и нанокристаллический CeOx) показало увеличение рН-чувствительности по току стока ИСПТ с CeOx- диэлектриком благодаря высокой плотности поверхностных чувствительных центров (до 1020 м−2 ), большому значению диэлектрической проницаемости (ε = 26) и ширины запрещенной зоны (3,6 эВ) оксида церия, что приводит к уменьшению токов потерь через диэлектрик. Показаны результаты применения ИСПТ с нанокристаллической пленкой CeOx в высокоспецифических иммунных биосенсорах токсичности, принцип действия которых базируется на изменении рН в результате образования иммунного комплекса между антителом и микотоксином. На основі теорії зв’язувальних центрів (site-binding theory) досліджено фізико-хемічні процеси, що відбуваються на поверхні плівки нанокристалічного оксиду церію при взаємодії з біохемічними комплексами. Ви- конано дослідження ЙСПТ (йонно-селективних польових транзисторів) з діелектриком на основі нанокристалічних плівок оксиду церію для створення чутливих, стабільних і надійних біосенсорів. Дослідження прохідних та вихідних характеристик ЙСПТ з різним типом діелектрика (SiO2— Si3N4 та нанокристалічний CeOх) показало збільшення рН-чутливости за струмом стікання ЙСПТ з CeOх-діелектриком завдяки високій густині поверхневих чутливих центрів (до 1020 м−2 ), високим значенням діелектричної проникности (ε = 26) та ширини забороненої зони (3,6 еВ) оксиду церію, що призводить до зменшення струмів втрат через діелектрик. Показано результати застосування ЙСПТ з нанокристалічною плівкою CeOх у високоспецифічних імунних біосенсорах токсичности, принцип дії яких базується на зміні рН в результаті утворення імунного комплексу між антитілом та мікотоксином. Physical and chemical processes, which take place on the surface of nanocrystalline cerium-oxide thin film during interaction with biochemical complexes, are studied using site-binding theory. Ion selective field effect transistors (ISFETs) with the nanocrystalline CeOх dielectric layer are investigated for the creation of sensitive, stable, and reliable biosensors. Investigation of transfer and output parameters of ISFETs with different types of the dielectric layer (SiO2—Si3N4 and CeOх) shows an increase in pH-sensitivity by drain current of ISFET with CeOх dielectric layer caused by high density of the sensitive sites on the CeOх surface (up to 1020 m−2 ), high dielectric constant (ε = 26) and energy gap (3.6 eV) of cerium oxide with a consequent reduction of loss current through dielectric. The results of application of the ISFETs with CeOх nanocrystalline film in highly-specialized immune biosensors for toxicity determination are presented. Operating principle of such sensors is based on PH change as a result of formation of immune complex between antibody and micotoxin. Работа выполнена в рамках государственной программы «Сенсорные системы». Авторы выражают благодарность М. Г. Душейко и Ю. В. Ясиевичу за предоставление образцов вакуумных конденсатов. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия Processes of Interaction of Biochemical Complexes with Surface of Nanocrystalline Cerium Oxide Film Article published earlier
spellingShingle	Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия Максимчук, Н.В.
title	Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия
title_alt	Processes of Interaction of Biochemical Complexes with Surface of Nanocrystalline Cerium Oxide Film
title_full	Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия
title_fullStr	Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия
title_full_unstemmed	Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия
title_short	Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия
title_sort	процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76545
work_keys_str_mv	AT maksimčuknv processyvzaimodeistviâbiohimičeskihkompleksovspoverhnostʹûplenkinanokristalličeskogooksidaceriâ AT maksimčuknv processesofinteractionofbiochemicalcomplexeswithsurfaceofnanocrystallineceriumoxidefilm

Процессы взаимодействия биохимических комплексов с поверхностью пленки нанокристаллического оксида церия

Репозитарії

Схожі ресурси