СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОНО-И ОЛИГОПОРОВЫХ МЕМБРАН

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к устройствам нанофлуидной техники, в частности техники молекулярных сенсоров.

В настоящее время интенсивно развивается область техники, связанная с созданием сенсорных устройств, работа которых основана на свойствах пор микро- и нанометрового размера в тонких перегородках. Такие сенсоры регистрируют прохождение интересующего малого объекта (им может быть молекула, или коллоидная частица) через заполненную раствором электролита пору. Регистрация может осуществляться несколькими разными способами, общим свойством которых является то, что к поре прикладывается электрический потенциал и измеряется ток, обусловленный движением ионов сквозь пору. По способу, называемому импульсно-резистивным, регистрируют отрицательный импульс тока, вызванный частичной закупоркой поры в момент прохождения через нее объекта. В другом способе используют пору асимметричной формы, которая обладает асимметричной вольтамперной характеристикой. Поверхность поры модифицируют реагентом, имеющим сродство с определяемым объектом. Взаимодействие объекта с внутренней поверхностью поры резко изменяет вольтамперную характеристику, что и является способом регистрации и идентификации объекта. Особенно перспективными считаются разработки сенсоров, избирательно регистрирующие биологически важные молекулы (белки, ДНК, РНК и др.).

Широко известен способ изготовления трековых мембран с порами микрометрового и нанометрового диапазона, включающий облучение непрерывно движущейся полимерной пленки расфокусированным или сканирующим пучком ускоренных ионов [1]. Таким способом получают обычные «многопоровые» трековые мембраны, как симметричной, так и асимметричной структуры. Плотность пор в них обычно составляет от 10⁵ до 10⁹ см^-2. Это на несколько порядков больше, чем требуется для создания наносенсоров.

В настоящее время известно несколько способов изготовления мембран с одиночными или несколькими нанопорами. Наиболее известными можно считать методы, основанные на прожигании отверстий в тонких пленках, таких как диоксид кремния или нитрид кремния, при помощи сфокусированных электронных или ионных пучков. Они описаны в соответствующих обзорах, например в [2, 3]. Таким образом получают миниатюрные отверстия диаметром от нескольких нанометров до десятков нанометров. Эти методы очень трудоемки и малопроизводительны. Процесс изготовления каждого отверстия занимает несколько часов. Толщина пленок при этом ограничена толщинами порядка 100 нм. Методы не применимы к пленкам микрометровых толщин.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ, описанный в патенте ФРГ №2951376 [4]. Это же техническое решение защищено патентом США №4369370. Этот способ включает облучение пленки из диэлектрического материала, например полимера, расфокусированным пучком ускоренных тяжелых ионов на ускорителе. Пучок проходит через диафрагму, вследствие чего его интенсивность снижается до низких значений, и падает на образец. Энергия ионов выбирается таким образом, чтобы ионы были способны пробить образец насквозь и после этого быть зарегистрированными полупроводниковым детектором. Сигнал с детектора подается на систему управления ионным пучком. Система программируется таким образом, что после регистрации нужного количества ионов (например, одного), ионный пучок ионов отклоняется магнитным полем. Держатель с образцом убирают и заменяют другим, после чего процедуру повторяют. Образцы с нужным числом треков подвергают химической обработке (травлению) и получают поры нужного размера. В течение последних трех десятилетий данный способ использовали на пучках ускорителя УНИЛАК в Дармштадте [5], который оставался уникальным источником для производства трековых мембран с одной или несколькими порами (в дальнейшем будем их называть моно- и олигопоровыми, соответственно). Благодаря быстрой электронике и специальному механизму смены образцов, процесс облучения достаточно производителен (до нескольких сотен образцов в час). По сравнению с методами, использующими пучки электронов или ионов низких энергий, данный способ позволяет изготавливать отверстия в пленках, толщина которых составляет десятки микрометров. Небольшим практическим недостатком является то, что иногда происходят ошибки определения числа прошедших ионов. В результате, в монопоровых образцах на деле оказывается большее число треков. Что касается экономичности способа, то себестоимость получаемых мембран получается весьма высокой вследствие сложности и дороговизны используемого оборудования и высоких эксплуатационных затрат. Используя заложенный в данный способ алгоритм, практически невозможно увеличить производительность процесса, поскольку потери времени на смену держателей через вакуумный шлюз являются лимитирующими и не могут быть уменьшены.

Практическая значимость описанного способа состоит в том, что с его помощью получают мембраны с асимметричных нанопорами, обладающие диодоподобными свойствами в растворах электролитов [5]. Предложены многочисленные применения таких нанопор, прежде всего в качестве молекулярных сенсоров, элементов наножидкостных устройств, управляемых ионных каналов, ионных насосов и др. [6].

Целью настоящего изобретения является удешевление и увеличение производительности способа изготовления моно- и олигопоровых мембран.

Поставленная цель решается тем, что в известном способе, включающем облучение движущейся пленки диэлектрика пучком ускоренных ионов через диафрагму с отверстием и последующее травление, ионный пучок сканируют вдоль линии, проходящей через диафрагму, причем скорость движения пучка в плоскости диафрагмы ν, диаметр отверстия диафрагмы d, диаметр D сечения пучка в плоскости диафрагмы и интенсивность пучка I выбирают из соотношения

при этом скорость движения пленки V и частоту сканирования пучка f выбирают из соотношения

где L - минимально допустимый размер образца мембраны.

Кроме того, предлагаемое техническое решение включает вариант, отличающийся тем, что к облучаемой пленке прикрепляют второй слой пленки, который после облучения отделяют и используют для определения расположения треков в облучаемой пленке. Дополнительно, предложен вариант, по которому облучение проводят через несколько диафрагм с отверстиями, расположенных вдоль направления сканирования пучка, а пленку перемещают в поперечном направлении.

Суть предлагаемого технического решения поясняется Фигурой 1. Ионный пучок 1 из ускорителя направляют на перегородку 2, имеющую отверстие 3, которое в дальнейшем будем называть диафрагмой. Ионы задерживаются перегородкой, так как ее толщина больше пробега ионов в веществе. Пучок сканируют вдоль линии 4, проходящей через диафрагму 3. Крайние положения пучка указаны на Фигуре 1 как позиции 5. Ионный пучок, падая на перегородку, образует облучаемое пятно диаметром D. Интенсивность ионного пучка I, измеряемая количеством ионов, приходящих на мишень в течение 1 секунды, зависит от настроек ускорителя и может варьироваться в пределах нескольких порядков. За перегородкой находится устройство, которое транспортирует пленку 6 в направлении, показанном стрелкой 7. В течение времени, равного 2D/ν, когда пятно ионного пучка проходит через диафрагму, ионы могут проходить сквозь нее и попадать далее на пленку по траектории 8.

Таким образом, ионы поступают на пленку отдельными порциями, благодаря тому, что пучок находится на диафрагме только в течение коротких промежутков времени. Благодаря тому, что пленка движется, эти отдельные порции ионов попадают на пленку на определенном расстоянии друг от друга, образуя «дорожку» 9. Для того, чтобы получать одиночные пространственно разделенные друг от друга треки ионов, необходимо, чтобы среднее число ионов в порции было меньше единицы. Тогда при прохождении пучка по диафрагме сквозь нее либо не проходит ни одного иона, либо, как правило, один ион. Для получения нескольких треков в каждой порции, необходимо, чтобы среднее число ионов в порции было несколько больше единицы. Обобщенно это условие описывается соотношением (1).

При использовании моно- или олигопоровых мембран в качестве рабочих элементов сенсоров необходимо, чтобы размер образца L составлял по крайней мере несколько миллиметров. Следовательно, необходимо обеспечить такие условия, когда в дорожке 9 отдельные треки или группы из нескольких треков отделены друг от друга расстоянием не менее L. Это условие достигается тем, что что скорость движения пленки V и частоту сканирования пучка f выбирают из соотношения

Временной промежуток τ между двумя проходами пучка по диафрагме обратно пропорционален частоте сканирования f. За это время пленка 6 успевает переместиться на расстояние V τ, равное V/2f. За один период сканирования пучок проходит по диафрагме дважды. Следовательно, произведение величин V и τ должно быть больше удвоенного размера образца, 2L.

Условие (1) определяет, что сквозь диафрагму проходит либо один ион, либо несколько ионов. Они оставляют треки в пленке, которые расположены вдоль дорожки 8 и находятся на определенном расстоянии друг от друга. Для практической работы с облученным материалом и изготовления моно- и олигопоровых образцов мембран необходимо знать точную локализацию треков в пленке. Эта задача решается тем, что к облучаемой пленке прикрепляют второй слой пленки, который после облучения отделяют и используют для определения расположения треков в облучаемой пленке. Второй слой может быть приклеен, либо закреплен по краям при помощи липкой ленты. Допустимы и другие варианты прикрепления, обеспечивающие неподвижность второго слоя относительно облучаемой пленки. После экспозиции ионным пучком второй слой отделяют, точно отметив его положение относительно облучаемой пленки. Далее этот слой подвергают химическому травлению, проявляя ионные треки и доводя размер получаемых пор до 5-7 мкм. Поры такого размера можно находить довольно простыми методами, определяя их точное расположение. Например, протравленную пленку с порами накладывают на фильтровальную бумагу, пропитанную водно-спиртовым раствором фенолфталеина. Поверх пленки наносят, например, при помощи ватного тампона, тонкий слой щелочного раствора. Раствор проникает в поры, смешивается с фенолфталеином в фильтровальной бумаге, находящейся под пленкой. В результате каждая одиночная пора проявляется в виде красного пятна диаметром 0,1-1 мм. Расстояния между порами внутри групп пор много меньше, поэтому группы пор проявляются в виде одиночных красных пятен примерно такого же размера. Отмечают положения всех выявленных пор (или групп пор), после чего пленку отмывают от растворов фенолфталеина и щелочи и совмещают с облученной (но не травленной) пленкой. Тем самым определяют расположение непротравленных ионных треков в последней. Далее пленка может быть разрезана на отдельные образцы небольшого размера (5-20 мм), содержащие одиночные треки или группы из нескольких рядом расположенных треков.

При использовании одной диафрагмы относительная пространственная ориентация направлений сканирования и направления движения пленки не имеет принципиального значения. Эти направления могут быть взаимно перпендикулярными, параллельными либо иными. Форма растра при сканировании также может быть различной - синусоидальной, пилообразной или иной. Решающим фактором является скорость прохождения пучка по диафрагме.

Важным аспектом является производительность процесса, то есть эффективность использования времени работы ускорителя. Частично задача увеличения производительности процесса уже решена тем, что в настоящем техническом решении процесс получения треков осуществляется без остановок на непрерывно движущейся пленке. Дальнейшее увеличение производительности достигается тем, что на пути пучка ставят одновременно несколько диафрагм с отверстиями, располагая их вдоль направления сканирования пучка, а пленку перемещают в поперечном направлении. Таким способом на облучаемой пленке за одну экспозицию получают несколько параллельных дорожек треков. Число дорожек равно числу диафрагм. Применяя диафрагмы разного размера и используя соотношение (1), задают разные условия для каждой из дорожек треков. Например, можно одновременно получать дорожки из редко расположенных одиночных треков и дорожки из часто расположенных групп из нескольких треков. Последующим травлением пленки можно получить образцы монопоровых и олигопоровых мембран. Данное техническое решение позволяет существенно увеличить производительность и снизить себестоимость процесса изготовления мембран.

Изобретение поясняется следующими примерами

Пример 1. На пути выведенного из циклотрона пучка устанавливают металлическую перегородку с диафрагмой в центре. Отверстие в диафрагме круглое, диаметром 180 мкм. Пучок ионов ксенона с энергией 160 МэВ образует на перегородке круглое пятно диаметром 7 см. Устанавливают интенсивность пучка 5×10⁸ с^-1. Включают сканирование пучка с частотой 80 Гц на ширину 600 мм, при этом скорость движения пучка через центр перегородки составляет 5×10³ см/с. Полиэтилентерефталатную пленку толщиной 23 мкм и шириной 320 мм перематывают в направлении, перпендикулярном ионному пучку, со скоростью 100 см/с. При данном выборе параметров процесса фактор 2Id²/Dν составляет ~10. По окончании облучения пленку обрабатывают водным раствором гидроксида натрия концентрацией 6 моль/л при температуре 80°С в течение 3 ч. Исследуют при помощи растрового электронного микроскопа область пленки, находившейся в процессе облучения непосредственно за диафрагмой. Поры распределены в пленке отдельными группами, разделенными расстоянием около 6 мм. В каждой группе содержится несколько пор. Изображение одной из групп пор показано на Фигуре 2. Пленку разрезают на отдельные образцы и получают набор мембран с несколькими порами в каждой.

Пример 2. На пути выведенного из циклотрона пучка устанавливают металлическую перегородку с диафрагмой в центре, диаметром 35 мкм. Электронно-микроскопическое изображение диафрагмы представлено на Фигуре 3(а). Пучок ионов ксенона с энергией 160 МэВ образует на перегородке круглое пятно диаметром 7 см. Устанавливают интенсивность пучка 1,5×10⁹ ионов с^-1. Включают сканирование пучка с частотой 80 Гц, скорость движения пучка через центр перегородки составляет 5×10³ см/с. Полиэтилентерефталатную пленку толщиной 23 мкм и шириной 320 мм перематывают в направлении, перпендикулярном ионному пучку, со скоростью 50 см/с. При данном выборе параметров процесса фактор 2Id²/Dν составляет около 1. По окончании облучения пленку обрабатывают водным раствором гидроксида натрия концентрацией 6 моль/л при температуре 80°С в течение 3 ч. Исследуют при помощи растрового электронного микроскопа область пленки, находившейся в процессе облучения непосредственно за диафрагмой. Одиночные поры распределены в пленке вдоль одной линии. Расстояние между соседними порами варьирует в пределах от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Изображение одной из пор показано на Фигуре 3(6). Пленку разрезают на отдельные образцы и получают набор мембран с одиночными порами.

Пример 3. На пути выведенного из циклотрона пучка устанавливают металлическую перегородку с четырьмя диафрагмами, расположенными вдоль горизонтальной линии на равных расстояниях 36 мм друг от друга. Диаметры отверстий диафрагм составляют 1000 мкм, 180 мкм, 15 мкм и 35 мкм. Пучок ионов ксенона с энергией 160 МэВ образует на перегородке круглое пятно диаметром 7 см. Устанавливают интенсивность пучка 1,5×10⁸ с^-1. Включают сканирование пучка с частотой 80 Гц на ширину 600 мм, скорость движения пучка по линии, проходящей через диафрагмы, составляет 5×10³ см/с. Две полиэтилентерефталатные пленки толщиной 12 мкм каждая, склеенные друг с другом, перематывают в направлении, перпендикулярном ионному пучку, со скоростью 50 см/с. По окончании облучения пленки отделяют друг от друга. Пленку, выполняющую роль отметчика, обрабатывают водным раствором гидроксида натрия концентрацией 6 моль/л при температуре 80°С в течение 3 ч. Тщательно промывают дистиллированной водой и помещают на белую ткань, смоченную раствором фенолфталеина. Протирают пленку сверху ватным тампоном, смоченным раствором щелочи. Раствор щелочи проникает в поры, смешивается с фенолфталеином и вызывает появление красной окраски. Распределение одиночных пор и групп пор по площади пленки-отметчика обнаруживается визуально, как показано на фотографии на Фигуре 4. Дорожки 10 и 11, состоящие из равноотстоящих друг от друга красных точек, получены от диафрагм 1000 и 200 мкм, соответственно. Они соответствуют группам пор. Группы в дорожке 10 насчитывают порядка сотни пор каждая, а в дорожке 11 - порядка десятка пор. Дорожка 12 получена от диафрагмы диаметром 15 мкм. В этой дорожке частота прохождения ионов сквозь диафрагму настолько низка, что на показанном участке пленки имеется только одна пора, которая обведена синим фломастером. Дорожка 13 образована одиночными ионами, проходившими через диафрагму диаметром 35 мкм. Расстояние между соседними порами стохастически меняется от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Каждая пора также отмечена кружком, сделанным синим фломастером. Пленку-отметчик совмещают с пленкой, не подвергавшейся травлению. Отмечают на последней расположение ионных треков и проводят с ней последовательность операций, обеспечивающих получение асимметричных нанопор, а именно: подвергают 16-часовой экспозиции ультрафиолетовым излучением с одной стороны, а затем обрабатывают 5 М раствором гидроксида натрия с добавлением поверхностно-активного вещества Dowfax 2А1 в течение 6 минут при 60°. Получают мембраны с асимметричными порами: диаметры отверстий на одной и другой стороне пленки по данным электронной микроскопии составляют 40 и 230 нм, соответственно. Пленку разрезают на отдельные образцы, содержащие либо одну пору, либо группу из нескольких пор. Таким образом, за одну операцию облучения получают целый набор мембран как с одиночными, так и с несколькими асимметричными нанопорами. Поскольку среднее расстояние между одиночными треками в дорожке 13 составляет около 2 см, при скорости движения пленки 50 см/с за один час ускорительного времени получают такое количество облученной пленки, из которой можно изготовить около 90000 образцов монопоровых мембран. Одновременно, нарабатывается в несколько раз большее количество олигопоровых мембран. Таким образом, данный пример доказывает эффективность предложенного способа в плане увеличения производительности и снижения затрат на производство нанопористых мембран-сенсоров.

Литература

1. Г.Н. Флеров, П.Ю. Апель, А.Ю. Дидык, В.И. Кузнецов, Р.Ц. Оганесян. Ат. Энергия. 1988. Т. №. С.

2. A. Kocer, L. Tauk, P. Dejardin. Nanopore sensors: From hybrid to abiotic systems. Biosensors and Bioelectronics. 2012. Vol.38. PP 1-10.

3. F. Haque, J. Li, H.-C. Wu, X.-J. Liang, P. Guo. Solid-state and biological nanopore for real-time sensing of single chemical and sequencing of DNA. Nano Today. 2013. Vol.8. PP 56-74.

4. R. Spohr. Method and device to generate a predetermined number of ion tracks. Патент ФРГ №2951376 C2; патент США №4,369,370.

5. P.Y. Apel, Y.E. Korchev, Z. Siwy, R. Spohr, M. Yoshida. METHOD FOR ETCHING AT LEAST ONE ION TRACK TO A PORE IN A MEMBRANE AND ELECTROLYTIC CELL FOR PREPARING THE MEMBRANE. Patent US №7,001,501. Date of patent 21.02.2006. Filed 03.06.2003.

6. Zuzanna Siwy, Jan Behrends, Niels Fertig, Andrzej Fulinski, Charles R Martin, Reinhard Neumann, Christina Trautmann, Eugenia Toimil Molares. NA.NODEVICE FOR CONTROLLED CHARGED PARTICLE FLOW AND METHOD FOR PRODUCING SAME. Patent US No 7,708,871. Date of Patent: 04.05.2010. Filed: 24.09.2003.