Интегрально-оптические наносенсоры на основе двумерных материалов

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 проекта 18-19-00684

НазваниеИнтегрально-оптические наносенсоры на основе двумерных материалов

Руководитель Волков 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

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

Код ГРНТИ29.33.39

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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
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)

4. 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)
10.1016/j.apsusc.2019.144814

5. 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)
10.1103/PhysRevB.100.235408

6. 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)

7. 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)
10.1116/1.5122683

8. 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)

9. 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)
10.3390/s20010203

10. 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)
10.1002/lpor.201900331

11. 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)
10.1021/acsphotonics.0c00078

12. 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)
10.1021/acsphotonics.0c00257

13. 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)
10.3390/nano10010122

14. 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)
10.1088/1742-6596/1461/1/012119

Публикации