Способ электрохимического оксидирования функциональной поверхности кварцевого резонатора

Изобретение относится к прикладной биохимии и иммунологии и может быть использовано при конструировании гравиметрических иммуносенсоров на основе кварцевых резонаторов, а также при проведении опытно-конструкторских разработок. Раскрыт способ электрохимического оксидирования функциональной поверхности кварцевого резонатора, заключающийся в приложении энергии постоянного электрического поля через плоские электроды из химически неактивного металла к фильтрованному водному раствору сернокислого железа. При этом в микрофоретической камере устанавливают магниты, образующие равномерное магнитное поле, концентрирующее кислород на обоих полюсах постоянного магнита, катодом является функциональная поверхность золотого электрода кварцевого резонатора, а подаваемое калиброванное электрическое поле с удельной мощностью относительно площади поперечного сечения камеры составляет 0,24-3,75 Вт/см2. Изобретение повышает стабильность и эффективность иммобилизации сенсорных белковых молекул, сокращает время их иммобилизации за счет функционально активных групп и развитой поверхности оксида железа. 4 з.п. ф-лы, 3 пр.

 

Изобретение относится к прикладной биохимии и иммунологии и может быть использовано при конструировании гравиметрических иммуносенсоров на основе кварцевых резонаторов, а также при проведении опытно-конструкторских разработок.

Проблема иммобилизации белковых (сенсорных) молекул на функциональных поверхностях или частицах носителей остается актуальной для современной биотехнологии и требует дальнейшего развития и усовершенствования. Необходимость иммобилизации сенсорных молекул на разнородных поверхностях возникает при конструировании микрогравиметрических биосенсоров, медицинских иммуно-биологических препаратов (МИБП) для диагностики особо опасных и других инфекций, а также в опытно-конструкторской экспериментальной работе.

Известно, что оксиды металлов, в том числе природные, обладают хорошими сорбционными свойствами, в том числе и в отношении белковых молекул (Неймарк И.Е. Синтетические минеральные адсорбенты и носители катализаторов. - Киев: Наукова думка, 1982. - 216 с.; Колида Ю.Я. и др. Магнитные оксиды железа как сорбенты катионов тяжелых металлов // Вестн. Удм. ун-та. Сер. Физика и химия. 2014. Вып. 4. С. 52-61.). Метод электрохимического оксидирования разработан при подготовке к выполнению поисковой темы «Разработка технологии получения универсальных магнитных сорбентов с магнитными свойствами на основе силикагеля для выделения ДНК».

Известен способ формирования защитных пленок на поверхности металла за счет создания поверхностных оксидных слоев на поверхности железа путем обработки его поверхности в тлеющем разряде в атмосфере остаточных газов при давлениях порядка 0,1…0,4 Па. При этом скорость роста оксида железа при комнатной температуре достаточно велика. Разработанный технологический процесс был рекомендован для предварительной защиты различных металлических изделий в условиях складского хранения продукции (Чебан Т.В., Подолян Р.А., Костржицкий А.И. Оксидные пленки на поверхности железа. Одесская национальная академия пищевых технологий (2006); http://www.rusnauka.com/ONG_2006/Chimia/17958.doc.htm).

Недостатком этого технологического процесса является необходимость обработки поверхности железа в тлеющем разряде в атмосфере остаточных газов при давлениях порядка 0,1…0,4 Па, а также его перспективное применение для защиты металлических изделий в условиях складского хранения.

Известен способ получения многослойных нано периодических структур (МНС), представляющих собой систему «нано кристаллический кремний/оксид» (nc-Si/оксид), полученный путем высокотемпературного (1000-1100°С) отжига (ВТО) аморфных Si/оксид или a-SiOx/оксид МНС с периодом до 10 нм. Формирование наноструктур основано на модификации фазового состава МНС при ВТО: в кремнийсодержащих слоях образуются нано кристаллы (НК) Si и их размер в направлении роста ограничен толщиной исходных (наносимых) слоев. При осуществлении этого способа использовали современную технологию напыления с применением совершенных вакуумных установок, обеспечивающих высокую воспроизводимость параметров сверх решеток, таких как состав, толщина и периодичность нано слоев. Важным достоинством МНС nc-Si/диэлектрик является возможность независимого изменения распределения, размера и плотности формируемых НК Si [Чугров И.А., Ершов А.В. Оптические и электрофизические свойства системы вертикально упорядоченных массивов nc-Si в диэлектрической матрице: учеб.-метод. пособ. Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2011. - 43 с. 140. pdf; Сайт: www.unn.ru].

Основным недостатком этого способа, с одной стороны, является его перспективное приборное применение многослойных Si-наноструктур в резонаторных оптических электронных устройствах, с другой - требуется обеспечение прецизионным оборудованием с высокой степенью контроля вакуумного нанесения слоев оксида кремния и высокотемпературной обработкой в пределах до 1100°С.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является технология электрохимического оксидирования алюминия на основе сернокислого электролита. Для этого в 1 л растворяют 170÷200 г серной кислоты (р - 1,84 г/см3) с органической добавкой - моноэтаноламин в количестве 150 г/л. Плотность тока при электролизе 1÷2 А/дм2, напряжение 12÷15 B при температуре электролита 18÷20°С в течение 60÷80 мин. Для повышения антикоррозионной стойкости поверхности алюминиевого изделия применяют пассивирующий раствор [http://www.sdelaysam.info/metal/golsilox.shtm].

Основным недостатком вышеприведенной технологии является использование сильного электролита на основе серной кислоты и значительной концентрации органической добавки (моноэтаноламина), а также применения пассивирующего раствора. Указанные недостатки составляют основное препятствие для электрохимического оксидирования золотой функциональной поверхности кварцевого резонатора

Ионы в электролите движутся хаотично, но при создании электрического поля характер движения становится упорядоченным: положительные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательные ионы (анионы) движутся к аноду.

Электрический ток в электролитах обуславливает упорядоченное движение положительных и отрицательных ионов.

Известно влияние магнитного поля на свойства вещества, которое наблюдается при наложении магнитных полей напряженностью уже несколько десятков эрстед, что сопровождается изменениями на десятки процентов скоростей реакций, протекающих в органических кристаллах, органических и водных растворах [В.И. Лесин https://refdb.ru/look/1516110.html]. В тоже время известно, что кислород, в отличие от многих других газов, обладает парамагнитными свойствами и для активации процессов окисления за счет концентрации молекул кислорода у магнитных полюсов концентрируется на обоих полюсах постоянного магнита, дипольные молекулы воды ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля (http://www.ai08.org/index.php/term/7-tehnicheskiij-slovar-tom-vii,16180-magnitnaya-vospriimchivost-kislorod.xhtml).

Вышеприведенные данные были учтены при разработке способа электрохимической оксидации функциональной поверхности кварцевого резонатора.

Целью изобретения является разработка технологических условий нанесения тонкой оксидной пленки на функциональную поверхность кварцевого резонатора ДМ-7 с золотыми электродами за счет приложения энергии постоянного электрического поля в водном растворе сернокислого железа и равномерном магнитном поле.

Для достижения поставленной цели намечено решение следующих задач:

- увеличение эффективности адсорбции белковых молекул на электрохимически оксидированной поверхности ДМ-7 с магнитными и кондуктометрическими свойствами;

- подготовка оксидированных кварцевых резонаторов для создания экспериментальной модели гравиметрического иммуносенсора;

- использование постоянных электромагнитов при оксидации функциональной поверхности ДМ-7.

Технологическое решение способа заключается в экспериментальном обосновании электрофизических и химических параметров электрического поля и концентрации водного раствора сернокислого железа для образования на токопроводящей поверхности ДМ-7 оксидной пленки с магнитными и сорбционными свойствами.

Для методического обеспечения экспериментальной работы была изготовлена прозрачная микрофоретическая камера с электродами в виде пластин с установленными ниобиевыми или электромагнитми на металлических пластинах электродов и возможностью изменения объема камеры. При этом удельная мощность электрического поля относительно объема раствора электролита за счет динамичности размеров микрофоретической камеры изменяется в 20 раз. Уровень удельной энергии прикладываемой к обрабатываемой функциональной поверхности кварцевого резонатора компенсируется за счет увеличения длительности процесса или изменения размера микрофоретической камеры.

Электрометрические параметры - напряженность, ток, сопротивление системы контролировали мультиметром DM830C (Китай). Водные 10% растворы сернокислого железа готовили из соли сульфата железа (II) FeSO4×7H2O (ГОСТ 4148-66) на дистиллированной воде с последующим фильтрованием для отделения гидроксидов железа (II, III). Экспозиция обрабатываемых объектов проводилась при визуальном контроле в течение от 5 до 60 сек при варьировании напряженности от 1,2 до 6,0 В; тока от 0,3 до 2,5 А, при сопротивлении системы 9-25 кОм, удельной мощности от 0,24 до 3,75 Вт/см2, при температуре окружающей среды 20±2°С. Частотные характеристики модифицированных в сравнении с необработанными кварцами ДМ-7 определяли до и после адсорбции сенсорных белковых молекул с использованием векторного анализатора цепей CPNA-330 «ЗАО ЭТНА» (Москва). Для определения напряженности поля ниобиевых магнитов использовали магнитометр Lake Shove 425 Gaussmeter (USA).

По отношению к прототипу заявляемый способ имеет следующие отличительные признаки:

а) в качестве электролита используют водный раствор сернокислого железа без каких-либо дополнительных ингредиентов;

б) для однотипной ориентации молекул воды (диполи) и концентрации молекул кислорода у полюсов постоянных магнитов в электрофоретической камере использовали равномерное магнитное поле;

в) для динамичной обработки кварцевых резонаторов ДМ-7 использовали управляемые постоянные электромагниты;

Возможность практического использования заявляемого способа подтверждается примерами его конкретного выполнения на кварцах ДМ-7 с золотыми электродами.

Пример 1. Кварцевый резонатор ДМ-7 обезжиривали в ацетоне, высушивали на воздухе, с помощью векторного анализатора цепей определяли среднюю величину исходной частоты (F), которая составила 9994716 Гц.

Пластину кварцевого резонатора клипсой фиксировали к электроду из нержавеющей стали толщиной 0,1 мм и помещали в прозрачную камеру с 10% (вес/объем) отфильтрованным водным раствором сернокислого железа. На каждом из электродов располагали образующие равномерное магнитное поле ниобиевые магниты в разнополярной ориентации. К электроду с кварцем подсоединяли катод АКБ (отрицательный полюс АКБ), на котором концентрировались положительно заряженные ионы железа, упорядоченные, как и диполи молекул воды, в равномерном магнитном поле, создающим повышенную концентрацию молекул кислорода у электродов

[https://otvet.mail.ru/question/43784411].

Мультиметром определяли электрометрические параметры, соответственно, составившие 2,5 В, 0,3 А и 9,0 кОм прикладывали в течение 60 сек с удельной мощностью 0,24 Вт/см2. Визуально отмечали изменения на функциональной поверхности кварца. Кварцевую пластину резонатора с оксидированной функциональной поверхностью извлекали из камеры, промывали 0,1 М физиологическим раствором, высушивали и с помощью CPNA-330 определяли F, которая составила 9989596 Гц. Сдвиг F после оксидирования составил 5120 Гц. При значительной массе оксида железа на резонаторе варьировали пределами режима попадания в резонанс с шагом в 50 кГц.

В растворе специфической антитуляремийной сыворотки с концентрацией 0,125 мг/мл белка экспозировали электрохимически оксидированную пластину резонатора в течение 5 мин при 20±2°С. После промывания пластины 0,1 М физиологическим раствором и высушивания сдвиг F по белку после экспозиции в растворе специфической антитуляремийной сыворотки составил 3034 Гц.

Пример 2. Отличается от примера 1 тем, что исходная средняя частота кварцевого резонатора ДМ-7 составила 9997404 Гц, условия обработки ДМ-7 и длительность, соответственно, составили при 6,0 В, 2,5 А, 25 кОм при t=5,0 сек с удельной мощностью до 3,75 Вт/см2. К каждому электроду прикладывали постоянные электромагниты. Средняя частота кварцевого резонатора после электрохимического оксидирования его функциональной поверхности составила 9776361 Гц. Сдвиг частоты после оксидирования составил 221043 Гц. Сдвиг F по белку после экспозиции в растворе специфической антитуляремийной сыворотки составил 5821 Гц.

Пример 3. Отличается от примера 1 тем, что исходная частота F составила 9992289,7 Гц. Сдвиг F после экспозиции в растворе специфической антитуляремийной сыворотки составил 497,7 Гц.

В результате было установлено, что при электрохимическом оксидировании в растворе сернокислого железа на функциональной поверхности ДМ-7 в зависимости от энергетических условий и продолжительности обработки на золотой функциональной поверхности ДМ-7 образуется светло-серое быстро темнеющее равномерное покрытие с магнитными и сорбциоными свойствами. После электрохимической оксидации отмечали снижение частот у ДМ-7 от 5,0 до более 200 кГц с сохранением способности нести дополнительную нагрузку массы белковых молекул при контакте функциональной поверхности кварца в 0,125 мг/мл растворе специфической антитуляремийной сыворотки в течение 5 мин. Кварц ДМ-7 с оксидной пленкой, в сравнении с такой же необработанной пластиной, проявил более чем 10-ти кратное увеличение снижения частотной характеристики за счет нагрузки массы белковых молекул, что является свидетельством увеличения эффективности адсорбции белковых молекул оксидированной поверхностью резонатора.

Таким образом, есть основания полагать, что оксидная пленка на электрохимически оксидированных поверхностях резонаторов ДМ-7 повышает стабильность и эффективность иммобилизации сенсорных белковых молекул, сокращает время их иммобилизации за счет функционально активных групп и развитой поверхности оксида железа, образовавшегося под влиянием энергии постоянного электрического поля, парамагнитных свойств молекул кислорода в равномерном магнитном поле.

1. Способ электрохимического оксидирования функциональной поверхности кварцевого резонатора, заключающийся в приложении энергии постоянного электрического поля через плоские электроды из химически неактивного металла к раствору электролита, отличающийся тем, что в качестве электролита используют фильтрованный водный раствор сернокислого железа, в микрофоретической камере устанавливают магниты, образующие равномерное магнитное поле, концентрирующее кислород на обоих полюсах постоянного магнита, при этом катодом является функциональная поверхность золотого электрода кварцевого резонатора, а подаваемое калиброванное электрическое поле с удельной мощностью относительно площади поперечного сечения камеры 0,24-3,75 Вт/см2.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в микрофоретической камере с раствором электролита устанавливают ниобиевые магниты, образующие равномерное магнитное поле, для активации процессов окисления за счет концентрации молекул кислорода у магнитных полюсов и упрощения контактов с тоководами.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в микрофоретической камере с раствором электролита устанавливают постоянные управляемые электромагниты, образующие равномерное магнитное поле, для активации процессов окисления за счет концентрации молекул кислорода у магнитных полюсов и упрощения контактов с тоководами.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что уровень удельной энергии, прикладываемой к обрабатываемой функциональной поверхности кварцевого резонатора, компенсируется за счет увеличения длительности процесса или изменения размера микрофоретической камеры.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что интенсивность процесса электрохимического оксидирования функциональной поверхности кварцевого резонатора контролируют визуально за счет прозрачности микрофоретической камеры.



 

Похожие патенты:
Использование: для изготовления фильтров на ПАВ. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления фильтров на ПАВ включает нанесение металлизации на пластину, изготовление структур фильтров, рифление обратной стороны пластины, сквозную резку пластины на пьезоэлеметы, нанесение акустического поглотителя на нерабочую сторону пьзоэлементов, где в акстический поглотитель дополнительно вводят вещество, повышающее плотность исходного акустического поглотителя.
Изобретение относится к технологии изготовления пьезоэлектрических чувствительных элементов из пьезоэлектрических материалов и может быть использовано при изготовлении датчиков динамического давления для двигателей внутреннего сгорания из синтетических кристаллов галлотанталата лантан La3Ga5,5Ta0,5O14.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к способу изготовления высокотемпературного ультразвукового преобразователя, который содержит стальной или металлический верхний электрод (2), преобразующий элемент (3), выполненный из пьезоэлектрического материала, и стальную или металлическую подложку (1), которая обеспечивает интерфейс между преобразующим элементом и средой распространения акустических волн, первое соединение между подложкой и пьезоэлектрическим кристаллом и второе соединение.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов микроэлектромеханических систем, в частности интегральных микромеханических реле и устройств на их основе.

Изобретение относится к пьезоэлектронике. Сущность: рабочее тело высоковольтного генератора представляет собой инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие.

Изобретение относится к области изготовления устройств точного позиционирования на основе пьезоэлектрических актюаторов, характеризующихся широким интервалом рабочих температур, в частности для изготовления прецизионных безгистерезисных сканеров сканирующих зондовых микроскопов и устройств юстировки оптических систем.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов лантангаллиевого танталата алюминия, обладающего пьезоэлектрическим эффектом, используемым для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах.

Использование: область микроэлектроники, а именно сборка микроэлектромеханических устройств и систем (МЭМС) на основе пьезоэлектрического кварца. Технический результат: повышение надежности функционирования в условиях высоких комплексных внешних воздействий.

Изобретение относится к медицине, а именно к кардиологии и хирургии, и может быть использовано для дифференциальной диагностики острого и подострого инфекционного эндокардита.

Группа изобретений относится к модуляции уровней белков сыворотки для лечения пациентов с синдромом хрупкой X-хромосомы (FXS) и нарушениями аутистического спектра (ASD).

Изобретение относится к медицине и касается способа иммуноферментного анализа с подавлением интерференции для определения противолекарственных антител к терапевтически активному антителу для лечения артрита.

Группа изобретений относится к устройству для тестирования на беременность и способу выполнения тестирования на беременность. Цифровое тестирующее устройство для обнаружения беременности содержит аналитические средства для измерения количества hCG, FSH и метаболита прогестерона в образце, взятом у субъекта; устройство отображения результата анализа пользователю; компьютеризованное средство управления, запрограммированное с верхним и нижним пороговыми значениями для hCG, с по меньшей мере одним пороговым значением для FSH и/или с по меньшей мере одним пороговым значением метаболита прогестерона и с алгоритмом для интерпретации результатов анализа.

Настоящее изобретение относится к медицине, а именно к диагностике системного воспаления и прогнозирования тяжести течения и исхода заболевания у пациентов с хирургическим сепсисом.

Изобретение относится к области медицины и предназначено для выявления предраковых изменений в молочной железе. В супернатанте пробы клеток крови пациента, инкубированных с раково-эмбриональным антигеном (РЭА) и без РЭА, определяют концентрацию IL-1β.

Изобретение относится к области биотехнологии и производству противоящурных вакцин, а именно к способу определения титра инфекционной активности вируса ящура в неинактивированном сырье для производства вакцины с применением метода ОТ-ПЦР-РВ и разработанной регрессионной моделью зависимости титра инфекционной активности вируса ящура от величины порогового цикла амплификации.

Изобретение относится к медицине, а именно к репродуктологии, андрологии и вспомогательным репродуктивным технологиям, и может быть использовано для оценки качества эякулята по содержанию в нем индивидуальных сперматозоидов с высоким уровнем гидроксиметилирования ДНК.

Изобретение относится к медицине, а именно к репродуктологии, андрологии и вспомогательным репродуктивным технологиям, и может быть использовано для оценки качества эякулята по содержанию в нем индивидуальных сперматозоидов с высоким уровнем гидроксиметилирования ДНК.

Группа изобретений относится к обнаружению мишень-ориентированных лекарственных средств. Способ определения биологического ответа мишени на растворимое исследуемое вещество содержит следующие этапы: - в ламинарный поток буферной жидкости, текущей через дисперсионный канал, вводят растворимое исследуемое вещество с образованием растворенного исследуемого вещества в буферной жидкости, имеющего начальный концентрационный профиль; ламинарным потоком буферной жидкости через дисперсионный канал вышеуказанное растворенное исследуемое вещество диспергируется так, чтобы в буферной жидкости содержался диспергированный концентрационный профиль; направляют ламинарный поток буферной жидкости, содержащей раствор исследуемого вещества, имеющий вышеуказанный профиль, в канал обнаружения так, что в этом канале растворенное исследуемое вещество образует конечный симметричный концентрационный профиль растворенного исследуемого вещества в буферной жидкости; вводят мишень в канал обнаружения для смешения с растворенным исследуемым веществом, имеющим конечный симметричный концентрационный профиль в буферной жидкости таким образом, чтобы получить в буферной жидкости смесь, имеющую объединенный концентрационный профиль, причем указанный профиль содержит мишень, имеющую постоянный концентрационный профиль мишени, смешанную с растворенным исследуемым веществом, имеющим конечный симметричный концентрационный профиль в буферной жидкости; удерживают смесь мишени и растворенное исследуемое вещество в буферной жидкости в канале обнаружения так, чтобы по меньшей мере одна половина объединенного концентрационного профиля удерживалась в этом канале; и производят оптическое сканирование смеси мишени и растворенного исследуемого вещества, содержащейся в буферной жидкости, удержанной в канале обнаружения и содержащей по меньшей мере, одну половину объединенного концентрационного профиля, для обнаружения при различных концентрациях раствора исследуемого вещества, содержащегося в объединенном концентрационном профиле, оптического сигнала, представляющего биологический ответ мишени на растворимое исследуемое вещество.
Изобретение относится к способу получения компонента с заданным уровнем блеска. Способ включает этапы: подготовка компонента с по меньшей мере одним металлическим слоем, где данный по меньшей мере один металлический слой образует поверхность компонента, получение матово-глянцевой смеси путем смешения глянцевого лака и матового лака в заранее определенном соотношении, нанесение матово-глянцевой смеси на металлическую поверхность компонента, сшивка матово-глянцевой смеси, так что на металлической поверхности компонента оказывается нанесен слой из сшитой смеси глянцевого лака и матового лака.

Изобретение относится к прикладной биохимии и иммунологии и может быть использовано при конструировании гравиметрических иммуносенсоров на основе кварцевых резонаторов, а также при проведении опытно-конструкторских разработок. Раскрыт способ электрохимического оксидирования функциональной поверхности кварцевого резонатора, заключающийся в приложении энергии постоянного электрического поля через плоские электроды из химически неактивного металла к фильтрованному водному раствору сернокислого железа. При этом в микрофоретической камере устанавливают магниты, образующие равномерное магнитное поле, концентрирующее кислород на обоих полюсах постоянного магнита, катодом является функциональная поверхность золотого электрода кварцевого резонатора, а подаваемое калиброванное электрическое поле с удельной мощностью относительно площади поперечного сечения камеры составляет 0,24-3,75 Втсм2. Изобретение повышает стабильность и эффективность иммобилизации сенсорных белковых молекул, сокращает время их иммобилизации за счет функционально активных групп и развитой поверхности оксида железа. 4 з.п. ф-лы, 3 пр.

Наверх