КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-19-00684

НазваниеИнтегрально-оптические наносенсоры на основе двумерных материалов

РуководительВолков Валентин Сергеевич, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2018 г. - 2020 г. 

Конкурс№28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые словаВолновод, плазмонный волновод, микрокольцевый резонатор, биосенсор, микрофлюидика, двумерные наноматериалы, графен, оксид графена, нитрид бора, дисульфид вольфрама, дисульфид молибдена

Код ГРНТИ29.33.39

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние годы усиливается интерес научного сообщества к созданию компактных высокочувствительных химических и биологических сенсоров. Это обусловлено высоким потенциалом их применения в таких областях, как фармацевтика, медицинская диагностика, ветеринария, контроль качества продуктов питания и мониторинг состояния окружающей среды. При этом одним из основных механизмов, на основе которого могут быть реализованы устройства подобного класса, является использование принципов нанофотоники и плазмоники [1-2]. Предполагается, что данные устройства смогут заменить активно используемые в настоящее время и основанные на схожих физических принципах биосенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса. В рамках данного проекта предполагается применение новых двумерных наноматериалов, таких как графен, оксид графена, нитрид бора и дисульфиды молибдена и вольфрама, для реализации схем биодетектирования, основанных на обнаружении биомолекул в области ближнего поля микро- и наноразмерных оптических волноводов и резонаторов. Оптические и химические свойства данных материалов хорошо изучены на данный момент и стоит отметить такие их уникальные характеристики, как высокую и регулируемую прозрачность в оптической области спектра излучения [3], а также высокую химическую активность по отношению к широкому классу химических и биологических молекул [4-6]. На данный момент показано, что тонкие пленки на основе графена и оксида графена могут быть использованы в качестве связующих слоев для детектирующих поверхностей биосенсоров, основанных на поверхностном плазмонном резонансе и оптоволоконных технологиях, что позволяет повысить чувствительность детектирования [7-9]. На первом этапе реализации проекта предполагается разработать и создать интегральные оптические системы на основе диэлектрических и плазмонных волноводов и оптических резонаторов для компактных оптических биосенсоров. В рамках проекта будут отработаны методы нанесения на поверхность волноводов тонких и однородных пленок на основе двумерных наноматериалов: графена, оксида графена, нитрида бора и дисульфидов молибдена и вольфрама при помощи аэрографии, центрифугирования и переноса пленок, выращенных на других подложках методом химического осаждения из газообразной фазы. Для доставки растворов с анализируемыми молекулами будет создана проточная ячейка на основе полимерной микрофлюидной системы. Для определения технических характеристик созданных устройств, таких как чувствительность, специфичность и возможность проводить измерения многократно, на поверхности связующих слоев из двумерных наноматериалов будут адсорбированы биологически активные слои, и проведена серия экспериментов по исследованию биохимических реакций с участием белковых молекул и молекул ДНК. [1] M.S. Luchansky, R.C. Bailey, High-Q optical sensors for chemical and biological analysis // Anal. Chem. 84, 793-821 (2012). [2] M.-C. Estevez, M. Alvarez, L.M. Lechuga, Integrated optical devices for lab-on-a-chip biosensing applications // Laser & Photonics Reviews 6, 463-487 (2012). [3] G. Eda, G. Fanchini, M. Chhowalla, Large-area ultrathin films of reduced graphene oxide as a transparent and flexible electronic material // Nature Nanotech. 3, 270-274 (2008). [4] E. Morales-Narváez and A. Merkoçi, Graphene oxide as an optical biosensing platform // Adv. Mater. 24, 3298-3308 (2012). [5] W. Yang, K.R. Ratinac, S.P. Ringer, et. al., Carbon nanomaterials in biosensors: should you use nanotubes or graphene? // Angew. Chem. Int. Ed., 49, 2114-2138 (2010). [6] Yu Chen, C. Tan, H. Zhang and L. Wang, Two-dimensional graphene analogues for biomedical applications, Chem. Soc. Rev., 44, 2681-2701 (2015). [7] E. Wijaya, N. Maalouli, R. Boukherroub, et al., Graphene-based high-performance surface plasmon resonance biosensors, Proc. of SPIE, Vol. 8424, 84240R-1, 2012. [8] J. Ah Kim, T. Hwang, S.R. Dugasanic, et al., Graphene based fiber optic surface plasmon resonance for bio-chemical sensor applications, Sensors and Actuators B, 187, 426– 433, 2013. [9] Y. V. Stebunov, O. A. Aftenieva, A. V. Arsenin, and V. S. Volkov, “Highly Sensitive and Selective Sensor Chips with Graphene-Oxide Linking Layer,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 7, no. 39, pp. 21727–21734, 2015.

Ожидаемые результаты
Аналитическое описание и численное моделирование интегральных оптических систем на основе диэлектрических и плазмонных волноводов и оптических резонаторов для создания компактного оптического наносенсора. Оптимизация параметров интегральных оптических схем для высокочувствительного биодетектирования. Технология создания интегральных оптических систем (систем из микро- и нановолноводов и оптических резонаторов), используемых в разрабатываемых наносенсорах и характеризующихся заданными параметрами, зависящими от конкретных применений. Оптические системы будут основаны на различных типах волноводов, в том числе на основе диэлектрических и плазмонных волноводах. Разработанные оптические системы в дальнейшем будут использованы для создания наносенсоров. Алгоритмы создания биологических слоев на поверхности оптической системы биосенсора, включающие определение требуемых для конкретного применения веществ, а также способ их нанесения. В качестве связующего слоя между биоспецифическим слоем и оптической системой будут использованы двумерные наноматериалы. Результаты будут представлены в виде протоколов создания биоактивных поверхностей. В дальнейшем способы создания биологических слоев могут быть использованы, как непосредственно при создании предлагаемых оптических биосенсоров, так и в других устройствах или экспериментах, в которых требуется осуществить эффективную и специфическую адсорбцию биомолекул на поверхность. Экспериментальные образцы компактных интегрально-оптических наносенсоров, включающие в себя оптическую и микрофлюидную системы, основанные на различных типах волноводов. Оптимизация схемы биодетектирования. Характерные размеры оптической схемы устройства вместо десятков сантиметров будут равны единицам сантиметров, что, в частности, позволит уменьшить объем проточной ячейки биосенсора и минимального требуемого для анализа раствора по меньшей мере в 5 раз. Перспективные для коммерческой реализации результаты будут оформляться в виде заявок на патенты. В дальнейшем интеллектуальная собственность может быть использована при коммерциализации разрабатываемых сенсоров и построении высокотехнологичного бизнеса, что отразится и на экономической, и на социальных сферах. Результаты могут быть использованы в таких отраслях, как медицинская диагностика, фармацевтика, ветеринария и др. Протоколы анализа биомолекулярных реакций с участием различных типов биомолекул. Значимость данного результата, прежде всего, состоит в возможности реализации тестирования работоспособности разработанных устройств. Протоколы могут быть использованы для решения научных задач, связанных с различными областями биологии. Результаты проекта будут опубликованы в ведущих профильных научных журналах (например, Nano Letters (импакт-фактор 12.712), Biosensors&Bioelectronics (7.780), Optics Express (3.307), Optics Letters (3.416), Nanotechnology (3.440), Biomedical Optics Express (3.337), Journal of Applied Physics (2.068) и др.) и представлены на ведущих профильных конференциях (Biosensors, Graphene, IEEE Sensors и др.). Предполагается, что 2018 году будут опубликованы, по крайней мере, две статьи в журналах с импакт-фактором не ниже 3. В 2019 и 2020 гг. предполагается публикация не менее 8 статей. Авторы проекта ставят своей целью получение значимых научных результатов, которые могут быть опубликованы в ведущих периодических изданиях по профилю предлагаемых исследований. Предполагается патентование разработок, имеющих перспективы для коммерческой реализации.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проект направлен на создание высокочувствительных компактных оптических наносенсоров. Использование интегральных оптических систем для преобразования сигнала биологической природы в цифровой позволит создать компактное устройство на чипе, совместимое с технологическими процессами микроэлектроники. Это в свою очередь будет использовано в дальнейшем для реализации массового производство данных устройств. В рамках заявленного плана работ на первом этапе проекта выполнен обзор современной литературы, выявлены наиболее эффективные (высокочувствительные) схемы компактных оптических биосенсоров, а также определены основные подходы и технологии для их практической реализации. Рассмотрены различные конфигурации оптических систем, включающих фотонные и плазмонные волноводы. Выполнено аналитическое описание и моделирование фотонного биосенсора. С помощью приближенных теорий описания электродинамических систем и варьирования основных геометрических параметров и материальных констант получены аналитические оценки для предельной оптической чувствительности рассматриваемых биосенсоров. Рассмотренные схемы биосенсоров позволяют достичь чувствительности около 0,5 мкм/RIU, что позволяет осуществлять измерение изменения показателя преломления до 10e-5. В расчетах и моделировании геометрические размеры интегральной оптической схемы не превышали 1 мм. Выполнено детальное теоретическое и численное исследование оптических биосенсоров на основе плазмонных и диэлектрических волноводов и резонаторов. Проанализированы основные характеристики таких биосенсоров - чувствительность и ее зависимость от параметров системы (геометрические размеры, материалы); предложены и оптимизированы схемы интегральных биосенсоров на основе плазмонных и диэлектрических волноводов и резонаторов, позволяющие достичь рекордных значений чувствительности для данного типа биосенсоров. Проведен сравнительный анализ фотонных и плазмонных биосенсоров. Несмотря на то, что плазмонные резонаторы характеризуются низкой добротностью по сравнению с фотонными схемами, показано, что чувствительность около 1,2 мкм/RIU может быть достигнута для биосенсора на основе плазмонного резонатора, что позволит измерять изменение показателя преломления до 5*10e-6, тогда как типичная чувствительность биосенсоров на основе фотонных резонаторов не превышает 0,5 мкм/RIU. Выполнена экспериментальная реализация гибридных плазмонных волноводов на основе металлов с низкими оптическими потерями. Изготовлены гибридные плазмонные волноводы, характеризующиеся высокой длиной распространения поверхностного плазмона и высокой локализацией моды. Продемонстрировано, что использование стандартных технологических процессов и материалов, совместимых с КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) технологией, позволяет на практике создавать высокоэффективные плазмонные волноводы, выходные характеристики которых допускают их использование в качестве рабочих элементов оптических схем биодетектирования на основе волноводов и нанорезонаторов. Данный результат позволит перейти к практической реализации не только планарных волноводных структур, но и более сложных (разноуровневых) плазмонных устройств, которые могут быть интегрированы на чипе вместе с различными компонентами, такими как схемы ввода и вывода оптического сигнала и системы микрофлюидики. Большая часть полученных результатов доложена и обсуждена на тематических научных семинарах и международных конференциях (например, International Conference on Metamaterials and Nanophotonics, 17 - 21 September 2018, Sochi, Russia; Developments in Protein Interaction Analysis (DIPIA), 17-20 June 2018, Boston, MA, USA и Российский семинар по волоконным лазерам 2018, 3-7 сентября 2018, Новосибирск, Академгородок). Результаты опубликованы в журналах, индексируемых Web of Science и Scopus (Nanomaterials (3.504, Q1) и Journal of Physics: Conference Series). Подробнее с результатами исследований можно ознакомиться на сайте: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/

 

Публикации

1. Волков В.С., Якубовский Д.И., Стебунов Ю.В., Киртаев Р.В., Воронин К.В., Арсенин А.В. Hybrid graphene-nanometallic structures Journal of Physics: Conference Series, 1092, 012161 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1092/1/012161

2. Воронин К.В., Стебунов Ю.В., Арсенин А.В., Волков В.С. Integrated plasmonic biosensors based on microring resonators Journal of Physics: Conference Series, 1092, 012162 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1092/1/012162

3. Якубовский Д.И., Стебунов Ю.В., Киртаев Р.В., Воронин К.В., Воронов А.А., Арсенин А.В., Волков В.С. Graphene-supported thin metal films for nanophotonics and optoelectronics Nanomaterials, - (год публикации - 2018)

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект направлен на создание высокочувствительных компактных оптических биосенсоров на основе новых материалов и с использованием технологий совместимых с технологическими процессами микроэлектроники. В том числе рассматривается эффективность применения двумерных материалов в разработанных в рамках проекта высокочувствительных схемах биодетектирования. На первом этапе проекта определены основные подходы и технологии для практической реализации высокоэффективных (высокочувствительных) компактных оптических (плазмонных) биосенсоров. Предложены различные конфигурации оптических систем, включающих фотонные и плазмонные волноводы, которые позволяют достичь чувствительности около 0,5 мкм/RIU. При этом характерные геометрические размеры интегральной оптической схемы не превышают 1 мм. Продемонстрировано, что использование стандартных технологических процессов и материалов, совместимых с КМОП процессами, позволяет на практике создавать высокоэффективные плазмонные волноводы, выходные характеристики которых допускают их использование в качестве рабочих элементов оптических схем биодетектирования на основе волноводов и резонаторов. На втором этапе проекта созданы прототипы компактных оптических биосенсоров на основе симметричных и несимметричных длиннопробежных плазмонных волноводов. Созданные планарные волноводные структуры представляют собой разноуровневую вертикальную схему волновод - микрокольцевой резонатор, интегрируемую со схемой ввода и вывода оптического сигнала и системой микрофлюидики. Предложенная технология изготовления волноводов и резонаторов, составляющих основу биосенсора, совместима с КМОП процессами и имеет необходимый потенциал для масштабирования и интеграции в микроэлектронных приборах. Разработанные микрорезонаторные устройства совмещены с системой микрофлюидики и схемой ввода и вывода оптического сигнала, который обрабатывается спектральным анализатором. Разработанные технологии получения ультратонких металлических пленок применены для создания длиннопробежных плазмонных волноводов с толщинами менее 10 нм. Для оценки чувствительности и эффективности разработанных сенсоров проведено моделирование и тестирование устройств на солевых растворах с различными показателями преломления. Оценена стабильность созданных устройств посредством прокачки через проточную камеру щелочных, кислотных растворов различной концентрации (вплоть до 20 mM), а также растворов с высокой концентрацией хлорида натрия и хлорида калия (1 Моль/литр). Продемонстрирована возможность многократного использования разработанного сенсора для анализа биомолекулярных взаимодействий. Время анализа благодаря малому объему проточной ячейки ограничено только кинетикой химического взаимодействия аналита с биоспецифической поверхностью. Биосенсоры могут быть использованы для исследования кинетики биохимических взаимодействий. Большая часть полученных результатов доложена и обсуждена на тематических научных семинарах и международных конференциях (IV International Conference on Metamaterials and Nanophotonics - METANANO 2019, 15 - 19 July 2019, St. Petersburg, Russia; International Congress on Graphene, 2D Materials and Applications - 2D MATERIALS 2019, 30 September - 04 October 2019, Sochi, Russia; 2nd International Symposium on "Low Dimensional Materials for Optoelectronics", 12-15 December 2019, Shenzhen, China; DIPC - MIPT Workshop, 6 - 7 November, 2019 - Donostia - San Sebastian (Spain) и др.). Ряд основных результатов 2019 года опубликован в высокорейтинговых журналах: Physical Review B (ИФ = 3.736, Q1), Applied Surface Science (ИФ = 5.155, Q1) и Journal of Vacuum Science and Technology B (ИФ = 1.351, Q2)). Подробнее с результатами исследований можно ознакомиться на сайте: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/

 

Публикации

1. Альварес-Перес Г., Воронин К.В., Волков В.С., Алонсо-Гонсалес П., Никитин А.Ю. Analytical approximations for the dispersion of electromagnetic modes in slabs of biaxial crystals Physical Review B, 23, 100, 235408 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.235408

2. Волков В.С., Якубовский Д.И., Стебунов Ю.В., Киртаев Р.В., Ермолаев Г.А., Миронов М.С., Новиков С.М., Воронин К.В., Арсенин А.В. Ultra-thin gold films: towards 2D metals for photonic and optoelectronic applications Journal of Physics: Conference Series, - (год публикации - 2020)

3. Губин М.Ю., Лексин А.Ю., Шестериков А.В., Волков В.С., Прохоров А.В. Nonlinear plasmonic switching in graphene-based stub nanoresonator loaded with core-shell nanowire Applied Surface Science, 144814 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.144814

4. Ермолаев Г., Якубовский Д., Стебунов Ю., Арсенин А., Волков В. Spectral ellipsometry of monolayer transition metal dichalcogenides: analysis of excitonic peaks in dispersion Journal of Vacuum Science & Technology B, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1116/1.5122683

5. Новиков С., Боровикс С., Татаркин Д., Арсенин А., Волков В., Божевольный С. Fractal shaped periodic metal nanostructures for SERS applications XXVIII International Materials Research Congress 2019, - (год публикации - 2019)

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект направлен на создание компактных высокочувствительных оптических биосенсоров на основе новых наноматериалов (двумерных и квазидвумерных материалов) с использованием технологий совместимых с технологическими процессами микроэлектроники. Оценена эффективность применения двумерных материалов в разработанных в рамках проекта компактных и высокочувствительных схемах биодетектирования, а также выполнено тестирование созданных устройств со связующими слоями на основе двумерных материалов. На заключительном этапе проекта проанализированы новые возможности увеличения чувствительности компактных биологических и химических сенсоров за счет использования в качестве связующих слоев новых двумерных материалов и отработана функционализация связующих слоев на основе двумерных материалов с использованием 3-​​(этилиминометиленамино)​-​N,N-​диметилпропан-​1-​амина для активации карбоксильных групп и сшивания с биотином. В рамках этапа определены оптические, электрические и структурные свойства двумерных материалов (графен (химическое осаждение из газообразной фазы, ультразвуковая эксфолиация) и оксид графена с различными функциональными группами) применительно к их использованию в качестве связующих слоев в оптических (плазмонных) схемах биодетектирования. Выполнена оценка оптической чувствительности биосенсоров со связующими слоями на основе двумерных материалов. Выполнено численное моделирование интегрального оптического биосенсора на основе диэлектрических и плазмонных волноводов со связующими слоями на основе двумерных материалов. Разработаны эффективные методы нанесения связующих слоев на основе двумерных материалов: осаждение из растворов, химический и сухой перенос связующих слоев на основе двумерных материалов на поверхность интегрального оптического биосенсора. Отработана технология низкотемпературного химического осаждения графена из газовой фазы на поверхность оптической интегральной системы. Созданы функциональные интегральные оптические биосенсоры с функционализированными связующими слоями на основе двумерных материалов с биоселективными слоями, содержащими молекулы стрептавидина, антител и аптамеров и выполнены базовые тесты на различных буферных растворах. Дана оценка чувствительности и избирательности биодетектирования компактных оптических биосенсоров при прохождении на поверхности биосенсора следующих биохимических реакций: стрептавидина с биотинилированными лигандами; антител с антигенами и аптамеров с низкомолекулярными лигандами. Большая часть полученных результатов доложена и обсуждена на тематических научных семинарах и международных конференциях (V International Conference on Metamaterials and Nanophotonics - METANANO 2020, 14 - 18 September 2020, ONLINE; International Conference Nanophotonics of 2D Materials (N2D 2020), ONLINE, 13 - 14 September, 2020; International Conference Nanolight 2020, Benasque, Spain, 08-14 March, 2020 и др.). Основные результаты 2020 года опубликованы в высокорейтинговых журналах (Laser & Photonics Reviews (ИФ = 10.655, Q1), ACS Photonics (ИФ = 6.864, Q1), Nanomaterials (ИФ = 4.324, Q1), Sensors (ИФ = 3.275, Q1) и конференционном сборнике Journal of Physics: Conference Series (при этом часть результатов находится на стадии публикации). Подробнее с результатами исследований можно ознакомиться на сайте: https://mipt.ru/en/science/labs/nano/

 

Публикации

1. Воронин К.В., Стебунов Ю.В., Воронов А.А., Арсенин А.В., Волков В.С. Vertically coupled plasmonic racetrack ring resonator for biosensor applications Sensors, 20, 1, 203 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/s20010203

2. Губин М.Ю., Лексин А.Ю., Шестериков А.В., Прохоров А.В., Волков В.С. All-plasmonic switching effect in the graphene nanostructures containing quantum emitters Nanomaterials, 10, 1, 122 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3390/nano10010122

3. Зенин В.А., Гарсиа-Ортез С.Е., Евлюхин А.Б., Ян Ю., Малуряну Р., Новиков С.М., Коэльо В., Чичков Б.Н., Божевольный С.И., Лавриненко А.В., Мортенсен Н.А. Engineering Nanoparticles with Pure High-Order Multipole Scattering ACS Photonics, 7, 4, 1067-1075 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c00078

4. Новиков С.М., Боровикс С., Евлюхин А.Б., Татаркин Д.Е., Арсенин А.В., Волков В.С., Божевольный С.И. Fractal Shaped Periodic Metal Nanostructures Atop Dielectric-Metal Substrates for SERS Applications ACS Photonics, 7, 7, 1708-1715 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c00257

5. Новиков С.М., Попок В.Н., Фютовски Ю., Арсенин А.В., Волков В.С. Plasmonic properties of nanostructured graphene with silver nanoparticles Journal of Physics: Conference Series, 1461, 012119 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1088/1742-6596/1461/1/012119

6. Терехов П.Д., Евлюхин А.Б., Редька Д., Волков В.С., Шалин А.С., Карабчевски А. Magnetic Octupole Response of Dielectric Quadrumers Laser & Photonics Reviews, 14, 4, 1900331 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/lpor.201900331

Возможность практического использования результатов
Дальнейшее развитие проекта в соответствии с полученными в 2018-2020 гг. результатами видится в практической реализации и коммерциализации разработанных высокочувствительных биосенсоров со связующими слоями на основе двумерных материалов. Дальнейшее финансирование проекта будет осуществляться через фонды поддержки перспективных прикладных разработок и коммерческие компании. К разработкам проявили интерес DTC Digital Technology Center GmbH и один из лидеров в области биосенсоров на основе спектроскопии поверхностного плазмонного резонанса Reichert, Inc. (AMETEK, Inc.).