Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Микроструктурные оптические волноводы как перспективные элементы оптических сенсоров 11
1.1 Типы микроструктурных оптических волноводов 11
1.2 Материалы для производства микроструктурных оптических волноводов 15
1.3 Химическое модифицирование микроструктурных оптических волноводов 17
1.4 Применение микроструктурных оптических волноводов в сенсорных системах 22
1.5 Оптимизация люминесцентного сигнала в микроструктурных оптических волноводах 39
Экспериментальная часть
Глава 2. Материалы и методы исследования 42
2.1. Микроструктурные оптические волноводы с полой сердцевиной 42
2.2. Реагенты и другие материалы 43
2.3. Аппаратура и техника измерений 47
Глава 3. Активация внутренней поверхности микроструктурных оптических волноводов 49
3.1 Оптимизация процедуры активации 49
3.2 Оценка количества силанольных групп на активированной поверхности 56
3.3 Неспецифическое взаимодействие пероксидазы хрена с активированной поверхностью микроструктурных оптических волноводов 63
Глава 4. Химическое модифицирование микроструктурных оптических волноводов с полой сердцевиной 69
4.1 Химическое модифицирование поверхности силанизирующими реагентами 70
4.2 Селективная изоляция внешних оболочек микроструктурных оптических волноводов с полой сердцевиной 81
4.3 Химическое модифицирование поверхности полианилином 90
Глава 5 Фотолюминесценция квантовых точек в микроструктурных оптических волноводах с полой сердцевиной 98
5.1 Стабильность и воспроизводимость сигнала люминесценции квантовых точек 98
5.2 Сравнительное изучение люминесценции квантовых точек в микроструктурных оптических волноводах и микрокапиллярах 102
5.3 Изучение смещения пика люминесценции квантовых точек 104
Заключение 112
Список литературы 114
- Применение микроструктурных оптических волноводов в сенсорных системах
- Оценка количества силанольных групп на активированной поверхности
- Селективная изоляция внешних оболочек микроструктурных оптических волноводов с полой сердцевиной
- Изучение смещения пика люминесценции квантовых точек
Введение к работе
Актуальность проблемы. Физико-химические исследования материалов на основе систем со сложной структурой являются важными для определения фундаментальных закономерностей технологии их получения и анализа свойств. Примером такого рода является изучение микроструктурных оптических волноводов (МОВ1) с целью создания мультифункциональных сенсорных платформ, в которых МОВ объединяет функции микрореактора, трансдьюсера оптического сигнала и возможного инструмента пробоотбора. В плане разработки биосенсорных элементов нового поколения наибольший интерес представляют МОВ с полой сердцевиной (МОВ ПС), интерес к которым обусловлен рядом уникальных оптических свойств, в том числе возможностью регистрации спектров пропускания, люминесценции, комбинационного рассеяния и др.
В настоящее время основой применения МОВ ПС в качестве элементов сенсоров, как правило, является регистрация изменений оптических характеристик МОВ ПС (положения полос в спектре пропускания), обусловленных изменением показателя преломления среды при заполнении волновода анализируемыми средами. Достоинством данного подхода является высокая чувствительность, недостатком - низкая селективность определений. Одним из путей решения данной проблемы является химическое модифицирование внутренней поверхности полой сердцевины волновода, которая выполняет роль волноведуще-го дефекта, что открывает возможность проведения целевых химических реакций, в том числе с участием биомолекул. При этом с одной стороны, применение МОВ ПС в качестве подложки может оказывать существенное влияние на свойства привитых соединений, с другой стороны, важное значение имеет оценка влияния химического модифицирования на оптические характеристики МОВ ПС. Систематическое изучение физико-химических закономерностей модифицирования внутренней поверхности МОВ ПС и оценка возможностей его
1 МОВ ПС - микроструктурные оптические волноводы с полой сердцевиной, КТ - квантовые точки, АПТЭС -(3-аминопропил)триэтоксисилан, ГЛИМО (3-глицидоксипропил)триметоксисилан, ГА -глутаровый альдегид, ПХ - пероксидаза хрена, ТМБ - 3,3,5,5-тетраметилбензидин, ПАНИ - полианилин
практического применения для электростатического и ковалентного связывания биомолекул ранее не проводились.
Цель работы: выявление физико-химических закономерностей и разработка подходов к химическому модифицированию внутренней поверхности микроструктурных оптических волноводов с полой сердцевиной для решения задач оптимизации их применения в качестве оптических элементов биосенсоров.
Для достижения поставленной цели в работе было необходимо решить следующие задачи:
выявление закономерностей влияния условий химической активации внутренней поверхности МОВ ПС на оптические характеристики волновода; разработка экспресс-способа оценки глубины протекания процесса активации поверхности МОВ ПС;
выяснение физико-химических закономерностей модифицирования внутренней поверхности МОВ ПС силанизирующими агентами для оптимизации иммобилизации соединений белковой природы;
изучение влияния условий синтеза плёнок полианилина по реакции окислительной полимеризации на внутренней поверхности МОВ ПС на характеристики полимерного слоя и оптические свойства МОВ ПС; оценка возможности последующей иммобилизации соединений белковой структуры;
разработка методики селективной изоляции внешних оболочек образцов МОВ ПС для предотвращения нарушения оптических свойств волноводов при их последующем химическом модифицировании;
изучение влияния МОВ ПС на возможную трансформацию детектируемого сигнала люминесценции полупроводниковых наночастиц.
Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в том, что:
методами оптической спектроскопии изучено влияние условий
химической активации внутренней поверхности МОВ ПС пероксидно-
кислотными растворами на оптические характеристики МОВ ПС;
выяснены особенности функционализации активированной поверхности МОВ ПС с использованием (3-аминопропил)триэтоксисилана (АПТЭС) и (3-глицидоксипропил)триметоксисилана (ГЛИМО) в качестве силанизирующих реагентов и последующего ковалентного связывания и детектирования модельного соединения белковой природы (пероксидазы хрена, ПХ) на функционализированной поверхности;
найдены закономерности влияния условий синтеза пленок полианилина на внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС на характеристики полимерного слоя и положение полос в спектрах пропускания МОВ ПС;
установлено влияние МОВ ПС на трансформацию детектируемого сигнала люминесценции квантовых точек (КТ) структуры ядро/оболочка CdSe/ZnSe/ZnS в различных областях спектра пропускания МОВ ПС.
Практическая значимость работы:
разработана методика экспресс-оценки глубины протекания процесса активации внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС на основе анализа изменения положения полос в спектре пропускания волновода;
определены оптимальные условия:
- модифицирования активированной поверхности полой сердцевины МОВ ПС с
помощью силанизирующих реагентов (АПТЕС и ГЛИМО) и полианилина;
- ковалентного связывания и детектирования ПХ на силанизированной
поверхности полой сердцевины МОВ ПС,
установлена возможность направленного изменения положения фотонно-запрещенных зон (ФЗЗ) в спектрах пропускания МОВ ПС при химическом модифицировании внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС полианилином (ПАНИ);
разработан способ селективной изоляции внешних оболочек МОВ ПС от зоны полой сердцевины на торцевой поверхности волновода и показана его практическая применимость;
выявлены закономерности изменения детектируемого сигнала люминесценции КТ структуры ядро облочка CdSe/ZnSe/ZnS в МОВ ПС при
расположении полосы люминесценции КТ в различных областях спектра пропускания МОВ ПС.
На защиту выносятся:
закономерности влияния условий химической активации внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС смесями концентрированных H2SO4 и H2O2 на изменение положения полос в спектре пропускания МОВ ПС; способ экспресс оценки глубины протекания процесса активации внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС;
методики функционализации внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС с помощью АПТЭС и ГЛИМО;
способ термической селективной изоляции внешних оболочек МОВ ПС и результаты его использования для предотвращения деградации оптических свойств МОВ ПС при дальнейшем химическом модифицировании;
методика модифицирования поверхности полой сердцевины МОВ ПС полианилином по реакции окислительной полимеризации анилина пероксоди-сульфатом аммония и закономерности влияния условий получения слоя полианилина на оптические свойства МОВ ПС;
результаты изучения влияния МОВ ПС на трансформацию детектируемого сигнала люминесценции КТ структуры ядро облочка CdSe/ZnSe/ZnS в различных областях спектра пропускания МОВ ПС.
Апробация работы: результаты исследований доложены на международных и российских конференциях и изложены в материалах: Saratov Fall Meeting: International Symposium Optics and Biophotonics (Саратов, 2015, 2016, 2017), VIII-th International Symposium «Design And Synthesis Of Supramolecular Architectures» (Казань, 2016), International Conference Laser Optics (Санкт-Петербург, 2016), Международных конгрессов “Биотехнология: состояние и перспективы развития” (Москва, 2015, 2017), ХХ Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Екатеринбург, 2016), I Всероссийской конференции с международным участием «Химический анализ и медицина» (Москва, 2015), X Всероссийской конференции «Химия и медицина» (Уфа, 2015), X Всероссий-
ской конференции по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2016» (Углич, 2016).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 6 научных статей в журналах, входящих в перечень ВАК, получены 3 патента РФ, 7 тезисов докладов на Международных и Всероссийских конференциях.
Личный вклад автора состоит в постановке основных целей и задач, анализе данных литературы, непосредственном участии в выполнении экспериментальных исследований, обобщении и систематизации полученных результатов, и формулировке выводов.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, изложения результатов и их обсуждения (5 глав), заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 132 страницах, содержит 6 таблиц, 45 рисунков, список литературы из 173 наименований.
Работа выполнена в рамках грантов РНФ № 14-13-00229 (2014-2016, 2017-2018 г.), Министерства образования РФ № 4.1708.2014/К (2014-2016 г.) и 4.1063.2017/ПЧ (2017-2019 г.), ФЦП 14.574.21.0128 (2014-2016 г.).
Применение микроструктурных оптических волноводов в сенсорных системах
Оптическим свойствам МОВ и областям их применения в различных сенсорных системах посвящен ряд обзоров [82-86]. Анализ результатов разработки и применения материалов на основе фотонных кристаллов (ФК) пленок ФК, микроносителей, волокон и оптико-проточных устройств проведен в [87]. Авторами [87] также представлен обзор основных концепций и теоретических подходов к ФК и материалам на их основе.
Использование ФКВ в качестве сенсорной платформы и высокопроизводительного микрореактора для химического зондирования и фотохимии обсуждается в [7]. Показана высокая эффективность ФКВ при изучении процессов фотоактивации, фотохимических и каталитических реакций, биологических систем. Особенностям применения МОВ в УФ, видимой и ИК спектральных областях при проведении биомедицинских исследований и в клинической практике посвящен обзор [88]. Авторами подробно рассмотрены типы и характеристики материалов на основе оптических волокон, в том числе традиционные и специализированные многомодовые и одномодовые волокна с твердой сердцевиной, двуслойные волокна, волокна с твердой оболочкой из кварцевого стекла, обычные волокна с полыми сердечниками, ФКВ, полимерные оптические волокна, волокна средней длины ИК диапазона и пучки оптических волокон с учетом их возможного использования в клинических целях. Современные тенденции в разработке сенсоров на основе ФКВ обсуждаются в [89]. В работе проведено сравнение возможностей различных платформ, которые могут быть применены для разработки сенсоров на основе ФКВ различных типов (БВ ПС, МВ с большим периодом решетки, ФКВ интерферометры). Особое внимание уделено спектроскопии гигантского (поверхностного усиленного) комбинационного рассеяния (ГКР) и ее применению в разработке мультигазовых сенсоров [89-91]. Чувствительность данных систем теоретически может быть доведена до уровня фемтомолекулярных концентраций [38].
Сенсоры на основе МОВ применяют для измерения ряда физических параметров (температура, деформация, давление) [92 - 94]. Показано, что значительными перспективами при разработке таких сенсоров обладают волокна с интегрированными Брэговскими решётками [95, 96] и ФКВ с большим периодом решётки [97]. Они характеризуются усточивостью к электромагнитным взаимодействиям, высокой чувствительностью, быстрым откликом, сохранением калибровочных характеристик во времени. Более того, они устойчивы в жестких условиях и применяются при анализе морской воды, бетона, при экстремальных температурах [92]. Определённые недостатки данных структур, связанные с большой шириной резонансных пиков, могут быть устранены дополнительными исследованиями в области архитектуры и материалов волокон.
Большинство известных химических сенсоров основано на влиянии анализируемых веществ на оптические свойства МОВ и не требует дополнительного химического модифицирования внутренней поверхности волокна [2]. Например, в ряде работ показана возможность применения МОВ для определения газообразных веществ: ацетилена и аммиака (ПО 1,4 мкМ), этана (ПО 1.6 и 2 мкМ), диоксида углерода (ПО 2 мкМ) [6, 98, 99]. Следует отметить, что недостатком данных систем является низкая селективность определения, особенно в случае систем сложного состава, так как изменение оптического сигнала обусловлено исключительно изменением показателя преломления среды внутри МОВ в присутствии аналита.
Наибольший интерес при создании химических и биохимических сенсоров представляют собой МОВ ПС, особенно с большим периодом решётки. Возможность непосредственного помещения образца исследуемого вещества в полую сердцевину волновода, позволяет реализовать наиболее полное взаимодействие излучения с образцом с наибольшей длиной оптического пути и, в полной мере, использовать возможности МОВ ПС, как коллектора и трансдьюсера оптического сигнала [21].
Анализ вышеуказанных работ позволил выделить некоторые преимущества и недостатки биосенсоров на основе МОВ с применением различных методов детектирования (таблица 1).
В дальнейшем более подробно рассмотрены возможности использования модифицированных МОВ при разработке биосенсорных систем на основе детектирования люминесценции [100]. Интерес к волоконно-оптической люминесценной визуализации обусловлен возможностью миниатюризации оптических устройств при сохранении их функциональности [101]. Выделяют три направления применения оптических волноводов при исследовании биологических систем:
- исследование базовых биологических и, болезнетворных процессов на основе визуализации клеток не доступных для обычной световой микроскопии (внутри полых тканевых трактов, в глубине твердых органов) при использовании минимальной инвазивности;
- имплантация оптических устройств для визуализации биологических процессов во времени, что позволяет изучать процессы старения клеток, а также проводить in vivo анализ при тестировании лекарственных препаратов и методов лечения;
- снижение инвазивности процедур клинической диагностики и хирургических процедур на основе in vivo люминесценной визуализации.
Применение МОВ в качестве оптических биосенсорных элементов позволяет детектировать как собственную люминесценцию исследуемых систем (label free), так и сигнал люминесцентных меток, в качестве которых можно применять различные люминесцентные зонды, в частности КТ.
Несмотря на большое количество работ, посвященных изучению люминесцентных свойств органических красителей и КТ, помещенных в МОВ, количество практических исследований, посвященных применению люминесценции для определения биомолекул в этих структурах, сравнительно невелико. Примеры ферментативного, иммунохимического и ДНК анализа биосистем с применением люминесценции в МОВ суммированы в таблице 2.
Ферментативный анализ. Пример ферментативного определения реализованного в МОВ ПТС, изготовленного из кварцевого стекла с малым размером сердцевины (рисунок 4), описан в работе [102] на примере определения фермента пробелка конвертазы 5/6 (PC6), как потенциально важного биомаркера эндометриальной восприимчивости. Анализируемый раствор помещали в МОВ ПТС без предварительной модификации поверхности. Появление люминесценции 7-амино-4-метилкумарина в результате ферментативного расщепления пептидного субстрата позволило детектировать PC6 в модельных растворах на уровне 50 ус.ед/мл. Активность фермента РС6 измеряли по скорости увеличения интенсивности люминесценции. Предложенный подход характеризуется беспрецедентно низким объёмом пробы (210 нл) и возможностью проведения in vivo анализа.
Оценка количества силанольных групп на активированной поверхности
На основании анализа известных литературных данных, полученных различными методами, количество силанольных групп (силанольное число), в образцах различных типов кремнеземов и стёкол, составляет от 0.5 до 4.6 единиц на 1 нм2. При этом минимальное значение, 0.5 ОН-групп на 1 нм2, характерно для образцов стекла, прошедших тепловую обработку при температуре 900-11000С, без химического модифицирования поверхности, а максимальное значение, 4.6 ОН-групп на 1нм2, характерно для образцов стекла, прошедших долговременную обработку поверхности гидроксилирующими агентами [76]. Эти значения могут быть использованы для анализа состояния поверхности и полноты прохождения активации. В тоже время, следует помнить, что каждый силикатный материал или даже образец в рамках одного типа ведет себя по-разному, и получаемые значения силанольного числа варьируются в достаточно широком интервале [58 - 62, 65, 72, 78].
В связи с этим, нами оценена возможность оценки глубины протекания процесса активации внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС при обработке пероксидно-кислотными растворами методами термогравиметрического анализа (ТГА) и ИК-спектроскопии.
Метод ТГА позволяет оценить количество силанольных групп на единицу поверхности материала. В общем случае дегидроксилирование поверхности стекла протекает согласно следующей схеме [61]:
В случае кварцевого стекла и силикагелей физически адсорбированная вода удаляется при температуре 150 С, в дальнейшем происходит дегидроксилирование поверхности, сопровождающееся убылью массы, вплоть до 1200 С, при этом количество силанольных групп снижается от 4.9 до 0.4 ОН-групп на 1нм2 в интервале температур от 200 до 900 С [45, 149]. Типичный вид кривых ТГА образцов силикагеля и рассчитанное содержание силанольных групп в образцах кварца представлены на рисунке 15.
Образцы МОВ ПС до и после активации при различных условиях изучены методом ТГА (Таблица 5, рисунок 16).
На кривой ТГ наблюдается убыль массы до 200 С, соответствующая потере адсорбированной воды, и незначительное уменьшение массы до 1000 С, соответствующая процессу дегидроксилирования. Рассчитанное количество гидроксильных групп лежит в диапазоне от 3.1 ± 1.5 до 4.6 ± 1.9 единиц (п= 3) на 1 нм2 для образцов МОВ ПС после обработки в течение 30 и 60 мин соответственно.
Представленные данные показывают, что термогравиметрическое исследование образцов МОВ ПС в целом соответствуют процессам, описанным в литературе [45]. Однако, относительно неразвитая поверхность МОВ ПС, в первую очередь наиболее интересной, с точки зрения последующего применения, зоны полой сердцевины, и разрушающий тип самого метода ТГА, не позволяет проводить оценку изменения количества силанольных групп на поверхности полой сердцевины для реальных образцов МОВ ПС после обработки пероксидно-кислотными растворами методом ТГА.
Малый диаметр полой сердцевины МОВ ПС не позволил провести непосредственный ИК-спектроскопический анализ данного участка волновода. В связи с этим методом ИК-спектроскопии изучено возможное изменение количества силанольных групп до и после обработки смесями НгБО4конціНгО2конц (50/50 об.%) в течение 30 мин в образцах стекла используемого для изготовления МОВ ПС (Рисунок 17).
Установлено, что ИК-спектры образцов содержат широкие полосы поглощения при 3560, 3572 и 3580 см-1, соответствующие колебаниям ОН-групп и молекул воды. Заметных изменений интенсивности этих полос после обработки образцов смесями H2SO4конц/H2O2конц не наблюдалось. В тоже время отмечена различная интенсивность полос при 888 и 908 см-1, что свидетельствует об изменении числа силоксановых связей на поверхности и косвенно подтверждает образование дополнительных силанольных групп. Полученные данные в целом соответствуют известным закономерностям [150].
Таким образом, технические трудности не позволяют проводить экспресс оценку изменения количества силанольных групп на поверхности полой сердцевины МОВ ПС при химическом модифицирования метом ТГА и ИК спектроскопии с использованием стандартного оборудования.
Нами предложен экспресс оценки глубины протекания процесса активации внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС, основанный на оценке изменения положения полос в спектрах пропускания МОВ ПС с использованием стандартного оборудования для измерения данных спектров. За основу оценки количества гидроксильных групп на поверхности МОВ ПС использовали модель Журавлева [79], согласно которой средняя концентрация силанольных групп на поверхности стекла варьируется в диапазоне 0.5- 4.6 ОН-групп на 1 нм2 для большого числа образцов.
Максимумы полос в спектрах пропускания МОВ ПС смещаются в коротковолновую область спектра при увеличении либо времени обработки гидроксилирующим агентом, либо изменении его состава. При этом, при увеличении времени обработки гидроксилирующим агентом, достигается момент, после которого сдвиг максимумов полос пропускания в спектре прекращается, что, по нашему мнению, характеризует стерическое максимальное насыщение поверхности силанольными группами.
Так как изготовление МОВ ПС основано на длительном нагревании при температуре 800-900 С, то это приводит к существенному снижению количества силанольных групп на поверхности стекла. Считая, что исходные образцы МОВ ПС содержали минимальное количество силанольных групп ( 1.2 ОН-групп на 1 нм2) исходное положение полос спектра пропускания МОВ ПС принимается за соответствующее этому количеству гидроксильных групп. Максимальное количество силанольных групп на внутренней поверхности МОВ ПС составляет 4.6 ОН-групп на 1 нм2 и соответствует максимальному сдвигу полос спектра пропускания МОВ ПС.
Обработка пероксидно-кислотными растворами приводит к образованию поверхностного слоя построенного из поверхностных силанольных и силоксановых групп [151]. Таким образом, для проведения экспресс оценки глубины протекания процесса активации внутренней поверхности полой сердцевины МОВ ПС в процессе химического модифицирования необходимо получить следующие данные:
- положение полос спектра пропускания МОВ ПС до химического модифицирования гидроксилирующим агентом соответствующее количеству силанольных групп в размере 1.2 единиц на 1 нм2;
- положение полос спектра пропускания МОВ ПС после химического модифицирования гидроксилирующим агентом, в момент времени, после которого сдвиг полос в спектре пропускания прекращается, что характеризует максимальное насыщение поверхности силанольными группами и соответствует количеству силанольных групп 4.6 единиц на 1 нм2. При этом данный момент времени обработки индивидуален и характеристичен для каждого типа МОВ ПС и гидроксилирующего агента.
На основании этих данных и данных полученных методом ТГА построена регрессионная зависимость содержания силанольных групп от величины сдвига полос в спектре пропускания МОВ ПС
Пример зависимости сдвига полос в спектре пропускания МОВ ПС от изменения количества силанольных групп представлен на рисунке 18.
Селективная изоляция внешних оболочек микроструктурных оптических волноводов с полой сердцевиной
Химическое модифицирование МОВ ПС включает проведение ряда стадий и требует, в том числе, оптимизации условий нанесения промежуточного слоя с целью получения устойчивых и воспроизводимых результатов. Однако, как показано в разделе 4.1.1 химическое модифицирование МОВ ПС может привести к комплексу негативных явлений, связанных со значительной деградацией исходных оптических характеристик МОВ ПС, в случае его проведения без селективной изоляции внешних оболочек от зоны полой сердцевины на торцевой поверхности волновода. Анализ литературных данных (глава 1) показывает несовершенство используемых для этого методов и необходимость поиска новых путей решения задачи селективной изоляции внешних оболочек МОВ ПС. В работе предложены способы решения данной задачи [160, 161].
Структуру МОВ ПС можно представить в виде ампулы микрообъёма с изолированными друг от друга отдельными микроампулами круглого или любого другого сечения. Таким образом, задачей является селективная изоляция части микроампул, из которых состоят внешние оболочки МОВ ПС, на торцевой поверхности волновода от зоны полой сердцевины.
При разработке способа селективной изоляции внешних оболочек был рассмотрен ряд известных устройств в качестве возможных прототипов [162 - 164]. Предложенная [162] кассета для фиксации ампул при запайке групповым способом является труднореализуемым решением в случае МОВ ПС. Вертикальная схема расположения пакета ампул, наряду с механизмом прекращения воздействия тепла при запайке отдельной ампулы под действием силы тяжести, вызывающей опускание запаянной ампулы из зоны воздействия тепла газовой горелки неприменима в случае обработки МОВ
ПС, так как в этом случае микроампулы жестко связаны между собой в единую конструкцию. Кроме того, малые диаметры (15-200 мкм) капилляров внешних оболочек МОВ ПС и отсутствие принудительного контроля времени воздействия пламени, в случае вертикального расположения образца, приводят к некачественной запайке и появлению брака. Причиной данного явления является различное тепловое воздействие пламени горелки на отдельные ампулы при их монолитной сборке.
Способ изготовления цилиндрической ампулы измерительного инструмента [163] основан на введении внутрь заготовки и запайки одного из ее торцов нагретой калиброванной иглой при постоянном вращении заготовки с целью сохранения перпендикулярности торца на границе цилиндр-торец и получения необходимого диаметра отверстия в усе, и последующем формование уса с отверстием. Описанный способ использован для получения отверстия и последующей запайки ампулы с достаточно высокой точностью. Однако недостатком подхода является невозможность извлечения введенной калибровочной иглы без отлома части сформированного капилляра. Таким образом, предложенный метод не может быть реализован для селективной изоляции внешних оболочек МОВ ПС.
Способ запайки сосудов, обеспечивающий высококачественную запайку стеклянных сосудов, и устройство для его практической реализации [164] заключается во введение в зону запайки сосуда определённой массы стекла и образования стенок одинаковой толщины. К сосуду, совершающему вращательное движение, определённым способом приближают нагревательный элемент, при этом одновременно на сосуд фиксируется устройство механизма оттяжки. Через определённый промежуток времени срабатывает механизм подачи штока и происходит прижатие, с определённым давлением, той части сосуда, которую требуется в дальнейшем отпаять, к краям отверстия в специальном проёме. По мере нагрева стекла вращение отпаиваемой части сосуда становится медленнее. При этом за счёт происходящего вращения сосуда происходит равномерное нанесение расплавленного стекла по окружности. Через установленное заранее время приводится в действие механизм оттяжки, производится оттяжка и отрыв отпаиваемой части сосуда. Предложенный способ гарантирует высококачественную и стабильную запайку всего пакета микроампул без снижения прочностных характеристик используемого стекла. Однако, и в этом случае, сложная архитектура МОВ ПС не позволяет эффективно реализовать данный способ для селективной запайки внешних оболочек МОВ ПС ввиду значительного различия в диаметрах капилляров внешних оболочек МОВ ПС.
Таким образом, анализ вышеописанных технических решений выявил необходимость разработки нового способа селективной изоляции внешних оболочек образцов МОВ ПС, учитывающего микроразмеры и сложную архитектуру волокна.
Разработанный способ [160, 161] селективной запайки внешних полых оболочек МОВ ПС включают кратковременное тепловое воздействие, приводящее к оплавлению торца поверхности образца волокна, и последующую возможность контролируемого немедленного охлаждения образца в режиме, который обеспечивает незначительное снижение его прочностных характеристик.
Предложенный способ отличается устойчивым высоким выходом МОВ ПС с равномерно селективно запаянными внешними оболочками, простым аппаратурным оформлением и низкой стоимостью расходных материалов. При этом диаметр полой сердцевины волокна практически сохраняет свои первоначальные размеры (максимальное уменьшение диаметра полой сердцевины не превышает 10%) и полученные образцы МОВ ПС обладают необходимой прочностью и устойчивостью для дальнейшей химической модификации.
Для реализации описанного способа селективной запайки внешних оболочек МОВ ПС разработано устройство, использующее газовую микрогорелку, принципиальная схема представлена на (рисунок 31). Устройство включает в себя: узлы вращения, нагревательное устройство, с механизмом его перемещения и позиционирования, устройство фиксирования образцов МОВ ПС, расположенные вариативно в горизонтальной или в вертикальной плоскости, в этой же плоскости происходит вращение, нагрев и селективная изоляция внешних оболочек МОВ ПС.
Изучена возможность и реализована на практике автоматическая и ручная регулировка параметров высокотемпературного воздействия на образцы МОВ ПС - температуры пламени микрогорелки, времени нахождения образца в высокотемпературной зоне пламени микрогорелки, скорости вращения образца. Введение и выведение образца волокна из пламени горелки осуществляется в ручном либо автоматическом режиме при помощи соответствующих приводов и микроподвижек. Устройство включает контролеры времени нахождения образца в высокотемпературной зоне пламени газовой микрогорелки, контролеры измерения температуры образца и, в случае необходимости, контролеры геометрических параметров образца.
Предусмотренное в способе использование направленного потока газа-охладителя, с расходом от 1 до 100 по отношению к массе образца МОВ ПС, даёт возможность немедленно зафиксировать нужную степень запайки внешних полых каналов образца и обеспечить требуемый тепловой режим обработки нагретой зоны образца во избежание его возможного растрескивания.
Предложенное устройство позволяет использовать два варианта запайки образцов МОВ ПС: вращение образца и вращение источника тепла. Первый вариант позволяет проводить обработку образцов МОВ ПС длиной от 10 до 140 мм, а второй способ позволяет обрабатывать волноводы практически неограниченной длины.
Основные узлы устройств, отвечающие за фиксацию и вращение образцов, их позиционирование и охлаждения идентичны. Отличием является использование во втором варианте реализации разработанного способа вращающейся газовой микрогорелки. В первом случае использование устройства введения образца МОВ ПС в высокотемпературную зону пламени горелки происходит во вращающемся состоянии. Образец волокна закрепляли в цанговом зажиме, установленном на валу микроэлектродвигателя, что позволяет осуществлять его вращение и необходимые операции с необходимой точностью и без разрушения стенок образца.
Изучение смещения пика люминесценции квантовых точек
Особенности применения КТ в качестве аналитических меток в биосенсорных системах на основе МОВ ПС связаны с возможностью усиления или подавления их аналитического сигнала за счет расположения пика люминесценции КТ соответственно в ФРЗ или в ФЗЗ волновода. Особый интерес представляет изучение возможных флуктуаций сигнала люминесценции в так называемой «переходной» области, то есть области спектра пропускания МОВ ПС соответствующей переходу от зоны запрещенных энергий к зоне разрешённых энергий фотонов. Данное явление может приводить к изменению в целом оптических свойств систем на основе МОВ ПС и, как следствию, снижению воспроизводимости сигнала люминесценции КТ.
Микроструктурные волноводы (тип I). Волновод типа I имеет в спектре пропускания несколько ярко выраженных максимумов пропускания, положение которых зависит от геометрических параметров волновода. Для проведения измерений использовали волокна с диаметром полой сердцевины 250 мкм, 240 мкм и 200 мкм, максимумы пропускания которых перекрывают пики люминесценции красных (КТ630), оранжевых (КТ587) и зеленых (КТ538) квантовых точек, соответственно. Следует отметить, что для всех трех случаев максимум пропускания МОВ ПС не совпадает с максимумом свечения КТ, тем не менее, спектр люминесценции находится полностью в пределах ФРЗ волновода. Нормированные спектры люминесценции КТ в кювете и в МОВ ПС, а также спектры пропускания волноводов показаны на рисунке 41.
Представленные данные показывают смещение пика излучения КТ () в длинноволновую область для зеленых КТ538 составляет 7 нм. Наблюдаемое для красных КТ630 батохромное смещение максимума люминесценции незначительно и находится в области статистической погрешности, и может быть объяснено, в первую очередь, возможными неоднородностями использованных в работе образцов МОВ ПС.
Микроструктурные волноводы (тип II). Волноводы данного типа имеют в спектре пропускания один широкий пик. Для проведения измерений использовали МОВ ПС с размером сердцевины по двойной апофеме 52 мкм, для которого область пропускания перекрывает пик люминесценции КТ (рисунок 42).
На рисунке 43 показаны нормированные спектры люминесценции зеленых квантовых точек в кювете и в МСВ ПС. Выбор зеленых КТ538 основан на суперпозиции максимума люминесценции КТ на «переходную зону» спектра пропускания МСВ ПС. Установлено, что батохромное смещение пиков люминесценции зеленых КТ538 составляет =13±2 нм.
Таким образом, нами обнаружен эффект батохромного смещения максимума интенсивности люминесценции КТ помещённых в переходную от ФРЗ к ФЗЗ зону спектра пропускания МОВ ПС.
Изучение поведения и особенностей оптических свойств КТ в различных условиях, крайне важно при разработке высокоэффективных перспективных солнечных источников энергии, сверхминиатюрных высокоточных термометров, и перспективных оптических сенсорных элементов. Анализ данных литературы показал, что спектральное положение максимума люминесценции КТ зависит от многих факторов, среди которых основными являются размер полупроводникового ядра и толщина слоя или слоёв широкозонных полупроводников. Эти характеристики определяются в первую очередь условиями синтеза КТ (раздел 1.4.1.).
Явление красного сдвига КТ является фактом известным в литературе и проявляется под воздействием различных факторов (Глава 1). Однако условия проведения нашего эксперимента подразумевают постоянство размера КТ, отсутствие прикладываемого потенциала и постоянную температуру, а, следовательно, постоянство положения полосы люминесценции КТ. Батохромное смещение спектра люминесценции КТ при введении в переходную от ФРЗ к ФЗЗ зону МОВ ПС, насколько нам известно, ранее не было описано. Можно, предположить несколько причин вызывающих данный эффект.
Очевидно, что в случае совпадения спектрального положения ФЗЗ МОВ ПС с положением максимума интенсивности люминесценции КТ, учитывая длину волновода, свечение фактически не сможет достигнуть приемника и, таким образом, ФРЗ волновода могут выполнять роль узкополосного светофильтра. В продемонстрированных выше примерах пик пропускания МОВ ПС хоть и не совпадает с пиком свечения КТ, но спектр люминесценции фактически находится в ФРЗ волновода. Тем не менее, нельзя полностью исключать влияния положения ФРЗ на положение максимума интенсивности люминесценции, хотя степень этого влияния трудно оценить.
С другой стороны, раствор КТ поглощает фотоны в широком диапазоне длин волн (рисунок 44), из-за чего он может работать в качестве так называемого «внутреннего фильтра», поглощающего часть возбуждающего света и «обрезающего» максимум интенсивности люминесценции КТ.
Поскольку в работе использовали образцы МОВ ПС длинной 6 см, то при заполнении волновода раствором КТ появляется достаточно большой поглощающий слой, способный выполнять роль светофильтра.
С целью моделирования смещения максимума интенсивности люминесценции за счет «обрезания» спектра под влиянием эффекта внутреннего фильтра и из-за положения ФРЗ, спектр люминесценции зеленых КТ538 измеряли в кювете с оранжевым светофильтром ЖЗС-1 (спектр пропускания близок к спектру пропускания раствора зеленых КТ538), помещенным непосредственно перед приемником излучения. В этом случае наблюдали смещение максимума интенсивности люминесценции КТ538 и одновременно искажение формы полосы люминесценции по левой ветви (рисунок 45).