PL219706B1

PL219706B1 - Platforma do pomiarów powierzchniowo wzmocnionego efektu Ramana

Info

Publication number: PL219706B1
Application number: PL390798A
Authority: PL
Inventors: Igor Dzięcielewski; Robert Hołyst; Agnieszka Kamińska; Sylwester Porowski; Tadeusz Suski; Jan Weyher
Original assignee: Inst Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk; Inst Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2015-06-30
Also published as: RU2011110372A; EP2369327A2; JP2011201769A; US20110235031A1; EP2369327A3; EP2369327B1; KR20110106821A; CN102213677A; UA109104C2; US8531660B2; PL390798A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest platforma do pomiarów powierzchniowo wzmocnionego efektu Romana, obejmująca powierzchnię półprzewodnika posiadającą wąsy, pokrytą metalem wybranym z grupy obejmującej srebro, złoto, platynę, miedź i/lub ich stopy, przy czym wspomnianym półprzewodnikiem jest azotek zawierający gal i wewnątrz zasadniczo każdego wąsa znajduje się defekt liniowy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest platforma do pomiarów powierzchniowo wzmocnionego efektu Ramana (ang. Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) obejmująca powierzchnię azotku zawierającego gal, pokrytą metalem wybranym spośród złota, srebra, platyny, miedzi i/lub ich stopów.

Powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana jest to technika spektroskopowa polegająca na pomiarze intensywności światła z zakresu nadfioletu, widzialnego i bliskiej podczerwieni, nieelastycznie rozproszonego na molekułach zaadsorbowanych na powierzchniach niektórych metali (np. Ag, Au czy Cu), o nanometrowych chropowatościach (10-100 nm) [M. Moskovits, Rev. Mod. Phys., 57 (1985) 783; K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 76 (1996) 2444; K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 78 (1997) 1667; S. Nie, S. R. Emory, Science, 275 (1997) 1102]. Jest ona jedną z najsilniej rozwijających się technik spektroskopowych w ostatniej dekadzie, umożliwia bowiem wzmocnienie efektywnego ramanowskiego przekroju czynnego molekuł zaadsorbowanych na powierzchni metalu o kilka rzędów wielkości (10²-10⁶, a dla

15 pewnych systemów nawet 10⁸-10¹⁵ [K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 76 (1996) 2444; K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys, Rev. Lett., 78 (1997) 1667; S. Nie, S. R. Emory, Science, 275 (1997) 1102] w stosunku do efektywnego ramanowskiego przekroju czynnego molekuł nie zaadsorbowanych [M. Herne, A. M. Ahern, R. L. Garrell, J. Am. Chem. Soc., 113 (1991) 846; J. Thornton, R. K. Force, Appl. Spectrosc., 45 (1991) 1522].

Obszar zastosowań spektroskopii SERS jest bardzo rozległy. Najważniejsze z nich to zastosowania w badaniach elektrochemicznych, chemii polimerów, związków biologicznie czynnych i procesów biologicznych. Jednakże obecnie metoda SERS wiele uwagi zyskuje głównie w biomedycynie i genetyce [S. Lee, H. Chon, M. Lee, Biosensors and Bioelectronics 24 (2009) 2260-2263].

Wzmocnienie sygnału SERS zależy od szeregu czynników, a między innymi od efektywnego ramanowskiego przekroju czynnego, od częstości promieniowania wzbudzającego, chemicznego pochodzenia molekuły ale przede wszystkim zależy od rodzaju powierzchni metalicznej na której molekuła jest zaadsorbowana i stopnia jej chropowatości. Chropowatości te, czy inaczej mówiąc nierówności, odpowiadają za mechanizm elektromagnetyczny wzmocnienia, który jest dominującym mechanizmem wzmocnienia SERS [P. Kambhampati, C. M. Child, M. C. Foster, A. Campion, J. Chem. Phys., 108 (1998) 5013]. Mechanizm elektromagnetyczny zakłada, że intensywność zarówno podającego, jak i rozproszonego promieniowania elektromagnetycznego, jest większa na powierzchni metalu niż w jego wnętrzu, co można opisać następującą zależnością:

Ir ~ JEr(R-s))² gdzie E_R(r,ro_s) to całkowite natężenie pola związanego z zaadsorbowaną molekułą.

To całkowite natężenie pola związanego z zaadsorbowaną molekułą na powierzchni metalu E_R(r,ro_s) stanowi sumę natężeń pola elektromagnetycznego działającego na adsorbat będący dipolem pod nieobecność schropowaceń (E_dip(r,ro_s)) i pola emitowanego przez poszczególne chropowatości (E_SC(r,ro_s)) [R. L. Garell, Anal. Chem., 61 (1989) 401A]. W przypadku normalnego efektu Ramana (E_dip(r,o_s)) przyjmuje stosunkowo niewielką wartość ze względu na małą energię oddziaływania dipol-promieniowanie laserowe. Natomiast w SERS schropowacenia stanowią źródła dodatkowego bardzo silnego pola elektromagnetycznego (E_SC(ro_SC)), które działa bezpośrednio na zaadsorbowaną na powierzchni metalu molekułę, powodując ogromny wzrost ER.

Pomimo możliwości stosowania różnorodnych substratów, zwanych też podłożami lub platformami, na przykład:

• odpowiednio porowate powierzchnie otrzym ywane w określonych cyklach utleniania - redukcji (ORC), • powierzchnie uzyskane technikami mikrolitograficznymi, napylania metalu na różnorodne powierzchnie czy polistyrenowe kulki, osadzania nanocząsteczek metali złota lub srebra na podłożach szklanych, krzemowych czy ITO, • powierzchnie uzyskane metodą „trawienia chemicznego” za pomocą kwasów czy redukcji chemicznej soli metali (tworzenie koloidów), ciągle istnieje problem z otrzymaniem powierzchni dających silne wzmocnienie widma i jego powtarzalność w każdym punkcie powierzchni. Są to niezwykle istotne cechy aktywnych powierzchni do pomiarów SERS, szczególnie w aspekcie wykorzystania tej techniki w badaniach biomedycznych czy

PL 219 706 B1 konstrukcji biosensorów [Liu, G. L., Lu, Y., Kim, J., Doll, J. C., and Lee, L. P. Adv. Mater. 2005 17 2683; Domke, K. F., Zhang, D., and Pettinger, B. J. Am. Chem. Soc. 2007 129 6708; Gunawidjaja, R., Peleshanko, S., Ko, H., and Tsukruk, V. V. Adv. Mater. 2008 20 1544].

SERS jest techniką, w której warunki pomiaru muszą być w sposób perfekcyjny kontrolowane, jeśli otrzymane wyniki mają być powtarzalne, zrozumiałe i prawdziwe. Zapewni to, między innymi, metoda wytworzenia powtarzalnych, stabilnych i czułych platform do pomiarów SERS.

Mimo ogromnej ilości doniesień literaturowych i zgłoszeń patentowych nie ma obecnie żadnego sposobu, który gwarantowałby powtarzalność widm SERS przy danej morfologii powierzchni. Znane są powierzchnie do pomiarów SERS oparte o nanocząstki. Stosuje się także nanodruty, w tym na azotku galu. Oto przykłady istotnych zgłoszeń patentowych z tej dziedziny:

Przedmiotem zgłoszenia USA nr US2008/0096005 A1 „Nanostructured substrate for surface enhanced Raman Scattering” jest powierzchnia krzemu, tlenku aluminium lub dwutlenku tytanu pokryta nanocząstkami srebra lub złota o rozmiarach od 20 nm do 140 nm. Dla bakterii E. coli zaadsorbowanych na jednej z przykładowych powierzchni uzyskano współczynnik wzmocnienia 2x10⁴, natomiast aspekt powtarzalności uzyskiwanych powierzchni nie był badany.

Przedmiotem zgłoszenia USA nr US 2006/0275541 A1 „System and method for fabricating substrate surface for SERS and apparatures utilizing same” jest platforma do detekcji molekuł biologicznych techniką SERS, która obejmuje kontrolowane i ściśle zdefiniowane napylanie cienkich filmów złotych lub srebrnych (metodą PVC, ang. Physical Vapor Deposition, czyli osadzanie fizyczne z fazy gazowej) na powierzchni szkła, ciekłych kryształów lub polimerów. Autorzy podają współczynnik wzmocnienia rzędu 10 dla zarodnika typu Bacillus substilis, zaadsorbowanego na jednej z przykładowych powierzchni, natomiast aspekt powtarzalności widma w obrębie jednej i kilku różnych powierzchni nie był dyskutowany.

Przedmiotem patentu USA nr US 7,583,379 B2 „Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) systems and methods of use thereof” jest platforma SERS do detekcji wirusów, bakterii i innych biologicznych układów, obejmująca umieszczane na powierzchni szkła lub krzemu nanodruty srebrne, niklowe lub krzemowe, otrzymywane wspomnianą wyżej metodą PVD. Twórcy wynalazku analizują głównie wpływ np. zależnością pomiędzy długością, średnicą i orientacją nanodrutów w stosunku do powierzchni a intensywnością uzyskiwanych widma SERS, nie podając liczbowych wielkości współczynnika wzmocnienia i zapewniając jednocześnie, że widma w obrębie jednej platformy są powtarzalne.

Przedmiotem zgłoszenia międzynarodowego opublikowanego za numerem WO 2009/035479 „Highly efficient enhanced Raman and fluorescence nanostructure substrate” jest platforma do pomiarów SERS zbudowana z powierzchni np. krzemu, pokrytej nanodrutami zbudowanymi z rdzenia, tj. Ga2O3, ZnO, InSb lub SiC, o długości od 20 nm do 100 nm i średnicy 40 nm, otrzymanymi metodą VLS (ang. vapor-liquid-solid mechanism of deposition) i powłoki srebra lub złota o grubości od 3 nm do 20 nm. Twórcy wynalazku pokazują, że współczynnik wzmocnienia dla rodaminy 6G jest 35 razy wyższy niż na komercyjnie dostępnej platformie do pomiarów SERS firmy Mesophotonics.

Przedmiotem zgłoszenia międzynarodowego opublikowanego za numerem WO2008/09/4089 „Active sensor surface and a method for manufakture thereof” jest platforma do pomiarów SERS zbudowana z nanodrutów lub nanotub o długościach od 0.1 μm do 100 μm i średnicach od 5 nm do 400 nm, pokrytych nanocząstkami srebra o rozmiarach od 0.5 nm do 100 nm. Twórcy wynalazku wskazują jedynie na potencjalne wykorzystanie tej platformy w pomiarach SERS nie podając konkretnych przykładów.

Pierwsze informacje na temat możliwości wykorzystania GaN pokrytego złotem jako aktywnej platformy do pomiarów SERS zostały przedstawione w pracy Porous GaN as a Template to Produce Surface-Enhanced Raman Scattering-Active Surfaces [T. L. Wiliamson, X. Guo, A. Zukoski, A. Sood,

Diego J. Diaz, and P. W. Bohn, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 20186-20191]. Powierzchnia GaN była rozwijana „w głąb” techniką foto-trawienia z wykorzystaniem platyny jako katalizatora w celu uzyskania struktury porowatej (PGaN). Przed trawieniem na powierzchnie próbek GaN nanoszono 10 nm platyny przez maskę z otworami o średnicy 0,5 mm, tworzącymi regularny wzór z odstępami 1 mm. Trawienia wykonywano w roztworze składającym się z H2O2, HF i CH3OH w proporcji objętościowej 1:2:2, z oświetleniem lampą UV. Po 90 min. trawienia uzyskiwano pory o średnicy 80-100 nm i głębokości 2-3 μm. Na tak przygotowaną powierzchnię GaN nanoszono warstwy złota i srebra, o grubości od 10 nm do 100 nm. Stosowano dwie metody nanoszenia, a mianowicie osadzanie „electroless” z roz4

PL 219 706 B1 tworów oraz naparowanie w próżni. Wyznaczony przez autorów współczynnik wzmocnienia (EF, ang. Enhancement Factor) dla tej powierzchni wynosi 2x10⁴.

Dotychczas nie są znane żadne platformy do badań SERS oparte na powierzchni azotku zawierającego gal, rozwiniętej w ten sposób, że tworzą się wąsy z azotku zawierającego gal, wewnątrz których znajdują się defekty liniowe, ewentualnie zebrane w pęczki, pokryte następnie warstwą odpowiedniego metalu. To zagadnienie jest przedmiotem badań zgłaszających.

Twórcy obecnego wynalazku zauważyli, że taka powierzchnia azotku zawierającego gal, pokryta warstwą odpowiedniego metalu, tj. złota, srebra, platyny, miedzi i/lub ich stopów, o odpowiedniej grubości, daje powtarzalne i silne wzmocnienie sygnału ramanowskiego (współczynnik wzmocnienia EF rzędu 10⁶) dla zaadsorbowanych na niej molekuł. Współczynnik wzmocnienia jest szczególnie wysoki, jeśli wspomniane wąsy są połączone w pęczki.

Zgodnie z wynalazkiem, platforma do pomiarów powierzchniowo wzmocnionego efektu Ramana obejmująca powierzchnię półprzewodnika posiadającą powyżej zdefiniowane wąsy, pokrytą metalem wybranym z grupy obejmującej srebro, złoto, platynę, miedź i/lub ich stopy, charakteryzuje się tym, że wspomnianym półprzewodnikiem jest azotek zawierający gal i wewnątrz zasadniczo każdego wąsa znajduje się defekt liniowy.

Korzystnie, wspomniane wąsy są połączone ze sobą końcami odległymi od wspomnianej powierzchni półprzewodnika, tworząc stożkowe pęczki.

Korzystnie, wspomnianym defektem krystalicznym jest dyslokacja lub domena inwersyjna.

Zgodnie z wynalazkiem, grubość warstwy wspomnianego metalu na wspomnianej powierzchni półprzewodnika wynosi od 50 nm do 150 nm, korzystniej od 70 nm do 80 nm.

W korzystnym przykładzie realizacji wynalazku, długość wspomnianych wąsów wynosi od 0,2 gm do 2,0 gm, korzystniej od 0,5 gm do 1,5 gm; średnica wąsów wynosi od 40 nm do 150 nm, korzystniej od 50 nm do 70 nm; zaś stosunek długości wspomnianych wąsów do ich średnicy wynosi od 5 do 50, korzystniej od 10 do 30.

Z kolei gęstość powierzchniowa wąsów na wspomnianej powierzchni półprzewodnika korzystnie wynosi od 10⁸/cm² do 10¹⁰/cm².

Zgodnie z wynalazkiem wspomnianym metalem jest korzystnie złoto, zaś wspomnianym azotkiem zawierającym gal jest korzystnie azotek galu GaN.

W preferowanym przykładzie realizacji wynalazku, wspomniana powierzchnia półprzewodnikowa z azotku galu jest powierzchnią zbliżoną do płaszczyzny krystalograficznej o wskaźnikach Millera (0001) czyli płaszczyzny krystalograficznej C o polarności Ga.

W innym preferowanym przykładzie realizacji wynalazku, wspomniana powierzchnia półprzewodnikowa z azotku galu jest powierzchnią zbliżoną do płaszczyzny krystalograficznej o wskaźnikach Millera (000-1) czyli płaszczyzny krystalograficznej G o polarności N.

Platforma według wynalazku korzystnie posiada współczynnik wzmocnienia, EF, dla molekuł zaadsorbowanych na jej powierzchni większy niż 10⁴, a korzystniej większy niż 10⁶.

Powtarzalność widm Ramana rejestrowanych w różnych punktach tej samej platformy według wynalazku jest korzystnie nie mniejsza niż 80%. Z kolei powtarzalność widm Ramana rejestrowanych na różnych platformach według wynalazku jest nie mniejsza niż 75%.

Platformy według wynalazku cechują się współczynnikiem wzmocnienia rzędu 10⁶, tj. o dwa rzędy wielkości wyższym niż współczynnik wzmocnienia oszacowany na komercyjnie dostępnym podłożu SERS. Ponadto platforma według wynalazku odznacza się bardzo dobrą powtarzalnością rejestrowanych widm zarówno w obrębie jednej (nie mniejsza niż 80%) jak i kilku platform (nie mniejsza niż 75%).

Definicje i sposoby obliczenia ważniejszych parametrów

Azotek zawierający gal - związek o wzorze ogólnym Al_xGa₁._x._vIn_vN, gdzie 0<x<1, 0<y<1 i 0<x+y<1. Pojęcie azotku zawierającego gal obejmuje zatem mieszany azotek glinowo-galowo-indowy, w szczególności AlGaInN, mieszany azotek glinowo-galowy, w szczególności AlGaN, mieszany azotek galowo-indowy, w szczególności GaInN, a także stechiometryczny azotek galu GaN.

Współczynnik wzmocnienia - (ang. Enhancement Factor; EF) określa stosunek integralnych intensywności (intensywności w maksimum) wniesionych przez molekuły zaadsorbowane na powierzchni i molekuły będące w roztworze i definiuje się wyrażeniem:

EF = (ISERS/IRaman)/(NSERS/NRaman); gdzie:

PL 219 706 B1

I_SERS - zmierzona intensywność integralna pasma w widmie SERS molekuł zaadsorbowanych na powierzchni,

IRaman - zmierzona intensywność integralna pasma w widmie Ramana molekuł w roztworze,

NRaman - określa liczbę molekuł w roztworze ”oświetlonych” światłem lasera w celu otrzymania widma Ramana,

N_SERS - określa liczbę zaadsorbowanych molekuł „oświetlonych” światłem lasera w celu otrzymania widma SERS

N_Raman - określano korzystając z wyrażenia:

^NRaman = ^NA ^{x C x} Df ^{x n}^ gdzie:

NA - liczba Avogadro, 6,02 x 10²³, c - molowe stężenie roztworu, ₂

D_f - głębokość ogniskowania; D_f = 2/7NA , gdzie dla linii 785 nm NA czyli apertura obiektywu wynosi 0.55 dając D_f = 5 μm nr² - geometryczny przekrój czynny molekuł

N_SERS - zostało oszacowane na podstawie powierzchniowego pokrycia, z założeniem, że molekuły adsorbują się na powierzchni tworzą monowarstwę, i rozmiaru powierzchni oświetlonej przez laser.

Nsers = Nm x A gdzie:

N_m - liczba molekuł znajdujących się w roztworze macierzystym, użytym do adsorpcji;

A - powierzchnia oświetlona przez laser, gdzie A = n x S, przy czym S oznacza rozmiar plamki ₂ lasera, który dla stosowanej w pomiarach linii 785 i powiększenia obiektywu 50x wynosi 1 μm .

Powtarzalność w obrębie jednej platformy - oznacza powtarzalność widm SERS rejestrowanych na tej platformie w różnych jej punktach (zgodność pod względem intensywności i położenia pasm widmach SERS rejestrowanych w tych samych warunkach pomiaru). Parametr ten został wyznaczony w następujący sposób: Wyznaczono całki z pola różnicy pomiędzy dwoma porównywanymi widmami zarejestrowanymi na tej samej platformie ale w różnych jej punktach. Za powtarzalne widma (100% zgodność) uznano te, dla których całki z pola różnicy różnią się o więcej niż 3%.

Powtarzalność w obrębie różnych platform - oznacza powtarzalność widm SERS rejestrowanych na różnych platformach (zgodność pod względem intensywności i położenia pasm w widmach SERS rejestrowanych w tych samych warunkach pomiaru). Parametr ten został wyznaczony w następujący sposób: Wyznaczono całki z pola różnicy pomiędzy dwoma porównywanymi widmami zarejestrowanymi na różnych platformach. Za powtarzalne widma (100% zgodność) uznano te, dla których całki z pola różnicy nie różnią się o więcej niż 3%.

Strona o polarności pierwiastka grupy III (strona galowa): W kryształach azotków pierwiastków grupy III posiadających strukturę wurcytu płaszczyzny krystaliczne prostopadłe do osi symetrii C6 kryształu (tzw. płaszczyzny C, o wskaźnikach Millera (0001)) nie są równoważne. Płaszczyzny te nazywa się płaszczyznami polarnymi, przy czym wyróżnia się stronę o polarności pierwiastka grupy III (w przypadku stechiometrycznego azotku galu GaN zwana krótko stroną galową) oraz stronę o polarności N, zwana krótko stroną azotową. Strony te mają różne właściwości fizyko-chemiczne.

Szczegółowy opis wynalazku

Przedmiot wynalazku zostanie omówiony w odniesieniu do rysunków, na których:

• Fig. 1 przedstawia zdjęcie SEM powierzchni GaN według wynalazku po procesie trawienia, przy czym występujące na powierzchni wąsy tworzą charakterystyczne pęczki, • Fig. 2 przedstawia zdjęcie SEM powierzchni GaN z Fig. 1 po pokryciu warstwą złota o grubości 70 nm, • Fig. 3 przedstawia widok zewnętrzny mikroskopu ramanowskiego używanego do rejestracji widm SERS (a) i jego schemat (b).

• Fig. 4 przedstawia widma SERS zieleni malachitowej (MGTIC), zaadsorbowanej z roztworu 10^-6M, na platformie do pomiarów SERS według wynalazku i rejestrowane w różnych jej punktach (b, c, d, e) oraz samej platformy (a).

• Fig. 5a i 5b przedstawiają odpowiednio widma SERS zieleni malachitowej (MGTIC), zaadsorbowanej z roztworu 10^-6M, na dwóch różnych platformach do pomiarów SERS według wynalazku (A i B), mierzone w różnych punktach w obrębie każdej platformy.

PL 219 706 B1 • Fig. 6 przedstawia widmo SERS molekuł p-amionotiofenolu zaadsorbowanych z ich wodnego roztworu o stężeniu 10^-5M na platformie do pomiarów SERS według wynalazku, rejestrowane w różnych jej punktach (a, b, c, d).

• Fig. 7 przedstawia widmo SERS molekuł p-amionotiofenolu zaadsorbowanych z ich wodnego roztworu o stężeniu 10^-5M na czterech różnych platformach do pomiarów SERS według wynalazku (A, B, C, D), • Fig. 8 przedstawia widmo SERS molekuł L-alaniny zaadsorbowanych z roztworu wodnego o stężeniu 10^-4M na platformie do pomiarów SERS według wynalazku, zaś • Fig. 9 przedstawia zdjęcie SEM innej powierzchni GaN według wynalazku po procesie trawienia, przy czym występujące na powierzchni wąsy nie tworzą pęczków.

Korzystne przykłady realizacji wynalazku

P r z y k ł a d 1

Wytworzono platformę do pomiarów SERS według wynalazku w następujący sposób:

Jako podłoża użyto warstwy GaN o grubości 3-8 gm, otrzymanej metodą MOCVD na szafirze. Plastry GaN na szafirze cięto na próbki o rozmiarach 5x5 mm. Powierzchnia próbek, zbliżona do płaszczyzny krystalicznej C o polarności galowej, była trawiona przez 20 min. w 10% roztworze wodnym HF, następnie są one pięciokrotnie płukane w wodzie dejonizowanej. Po oczyszczeniu powierzchni każda z próbek była umieszczana w 150 ml wodnego roztworu KOH i K2S2O8 o stężeniach odpowiednio 0,05 mol i 0,03 mol. Następnie roztwór wraz z próbką był oświetlany lampą UV przez 10 min. W czasie fototrawienia roztwór jest mieszany za pomocą magnetycznego mieszadła.

Po trawieniu próbka była trzykrotnie płukana wodą dejonizowaną, następnie woda z powierzchni była usuwana strumieniem azotu.

Bezpośrednio przed naparowaniem złota próbki były poddane płukaniu w stężonym HCI przez 10 min. Po tym czasie próbka była płukana w strumieniu wody dejonizowanej przez 15 s. Woda była usuwana z powierzchni próbek strumieniem azotu.

Następnie na powierzchnię naparowano warstwę złota (metodą E-gun evaporation w aparacie Denton vacuum z ogrzewaniem tygla z metalem wiązką elektronów). Zgodnie z wynalazkiem istotne znaczenie ma grubość warstwy metalu. Korzystnie jest, aby wynosiła ona od 70 nm do 80 nm. Precyzując, dwie płytki: kontrolna (płaska) i badano (o powierzchni rozwiniętej przez trawienie wskazanym wyżej sposobem) są jednocześnie (tj. w tym samym urządzeniu i w tym samym procesie) pokrywane warstwą złota i grubość 70-80 nm odnosi się do warstwy złota otrzymanej na płaskiej płytce kontrolnej.

W ten sposób wytworzono platformę do pomiarów SERS według wynalazku obejmującą warstwę GaN.

Powierzchnie próbek GaN pokrytych warstwą złota były charakteryzowane przy użyciu skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM, ang. Scanning Electron Microscopy), mikroskopii sił atomowych (AFM, ang. Atomie Force Microscopy) i spektroskopii Ramana.

Badania topograficzne otrzymanych powierzchni wykonano przy użyciu Skaningowego Mikroskopu Elektronowego firmy Zeiss, model Supra. Dokumentację fotograficzną uzyskuje się w wyniku rejestracji elektronów wtórnych przy napięciu przyspieszającym 2kV.

Po procesie rozwinięcia powierzchni GaN metodą trawienia zgodnie z przykładem 1, na obrazach SEM (Fig. 1) pojawiają się wąsy o długości około 1,5 gm i średnicy około 60 nm.

Po pokryciu powierzchni chropowatego GaN warstwą złota o grubości około 70 nm na zdjęciach SEM (Fig. 2) widzimy powierzchnie o bardzo rozwiniętej (chropowatej) strukturze. Wąsy GaN, sklejone siłami napięcia powierzchniowego w charakterystyczne pęczki, pokryte są złotem, tworząc regularnie rozłożone struktury stożkowe o średnicy u podstawy 300-400 nm.

P r z y k ł a d 2

Postępowano analogicznie jak w przykładzie 1, z tą jedynie różnicą, że jako podłoża użyto warstwy Al0.03Ga0.97N o grubości 3-8 gm, otrzymanej metodą MOCVD na szafirze. W ten sposób wytworzono platformę do pomiarów SERS według wynalazku obejmującą warstwę Al0.03Ga0.97N.

P r z y k ł a d 3

Postępowano analogicznie jak w przykładzie 1, z tą jedynie różnicą, że czas opisanego trawienia był krótszy i wynosił 5 minut. W ten sposób wytworzono platformę do pomiarów SERS według wynalazku obejmującą warstwę GaN.

Po procesie rozwinięcia powierzchni GaN metodą trawienia zgodnie z przykładem 3, na obrazach SEM (Fig. 9) widoczne są wąsy, które nie są połączone w pęczki.

PL 219 706 B1

Do testowania platform do pomiarów SERS według wynalazku użyto jako próbników: zieleni malachitowej (Aldrich, 99,99%) i p-ominotiofenolu (Aldrich, 99,99%) oraz aminokwasu L-alaniny (Aldrich, 99,99%). Wyznaczono współczynniki wzmocnienia EF (ang. Enhancement Factor) dla tych układów.

Widma Ramana były rejestrowane przy pomocy konfokalnego mikrospektrometru ramanowskiego o wysokiej zdolności rozdzielczej, typu InVia (Ranishaw). Długość fali światła wzbudzającego użytego w pomiarach wynosiła 785 nm. Analiza energii wiązki rozproszonej odbywa się w spektrometrze przy pomocy siatki dyfrakcyjnej, a intensywność dla poszczególnych energii rejestrowana jest w czułym detektorze CCD. Powiększenie obiektywu ogniskującego promień lasera na próbce wynosiło 50x. Przestrzenna zdolność rozdzielcza była lepsza niż 1 μm, spektralna zdolność rozdzielcza około 1 cm^-1. Moc lasera stosowanego do pomiarów wynosiła od 1 mW do 3 mW dla pomiarów SERS i 150 mW w przypadku rejestracji normalnych widm Ramana. Widma rejestrowane były z czasem akumulacji od 10 do 40 sekund. Na zdjęciu (Fig. 3) jest zaprezentowany widok zewnętrzny tego mikroskopu (a) i jego schemat (b).

Na platformie SERS według przykładu 1 umieszczono 2 mikrolitry barwnika - zieleni malachitowej w chloroformie o stężeniu 10^-6M. Następnie platformę wysuszono i zarejestrowano 30 widm ramanowskich z rożnych punktów powierzchni. Fig. 4 przedstawia cztery wybrane losowo widma zaadsorbowanej na powierzchni platformy zieleni malachitowej (b, c, d, e) oraz widmo samej platformy (a) (Fig. 4). Widma rejestrowano w czasie 10 s, stosując linię wzbudzającą 785 nm o mocy 2,5 mW.

W korzystnym przykładzie, widma zarejestrowane w różnych punktach platformy są identyczne.

Pojawiają się w nich silne pasma przy częstościach: 1618, 1370, 1180 i 441 cm^-1, których względne intensywności w każdym z zarejestrowanych widm są praktycznie takie same.

W kolejnych eksperymentach sprawdzano powtarzalność rejestrowanych widm SERS w obrębie różnych platform otrzymanych tą samą metodą. Rejestrowano widma barwnika zaadsorbowanego na 10 kolejnych platformach do pomiarów SERS, takich jak te uzyskane w przykładzie 1. Fig. 5 przedstawia wyniki uzyskane dla wybranych losowo dwóch platform A i B wytworzonych metodą według wynalazku.

Dodatkowo oszacowano współczynnik wzmocnienia dla zaadsorbowanej na platformie zieleni malachitowej używając wyrażenia:

EF = (ISERS/IRaman)/(NSERS/NRaman) gdzie:

ISERS i IRaman są zmierzonymi intensywnościami integralnymi pasm w widmach molekuł zieleni malachitowej zaadsorbowanych na powierzchni GaN pokrytego złotem (ISERS) oraz w roztworze molekuł zieleni malachitowej o stężeniu 10^-6M (IRaman);

NSERS i NRaman określają liczbę zaadsorbowanych molekuł zieleni malachitowej „oświetlonych” światłem lasera w celu otrzymania odpowiednio widma SERS i widma Ramana.

ISERS i IRaman były mierzone dla pasma o częstości 1180 cm^-1. NSERS zostało oszacowane na 14 2 podstawie powierzchniowego pokrycia zieleni malachitowej (1x10¹⁴ molekuł/cm²) [B. Pettinger, B. Ren, G. Picardi, R. Schuster, G., Ertl, J. Raman Spectrosc. Volume 36 Issue 6-7, Pages 541-550]. Natomiast NRaman oznacza liczbę molekuł zieleni malachitowej w badanym roztworze obliczona według definicji podanych wyżej.

W korzystnym przykładzie realizacji platformy według wynalazku oszacowany współczynnik wzmocnienia (EF) dla zieleni malachitowej wynosi 2.6x10⁶ i jest o dwa rzędy wielkości większy niż współczynnik wzmocnienia oszacowany na komercyjnie dostępnym podłożu SERS.

W innym korzystnym przykładzie realizacji wynalazku, na platformie do pomiarów SERS zaadsorbowano molekuły p-aminotiofenolu. Sprawdzono powtarzalność otrzymanych widm w obrębie tej samej powierzchni i dwóch różnych powierzchni (Fig. 6 i 7).

Długość światła wzbudzającego użytego w pomiarach wynosiła 785 nm, moc lasera na próbce wynosiła 3 mW a czas akumulacji widma wynosił około 10 s.

Korzystnie widma molekuł p-aminotiofenolu zaadsorbowanych na platformie do pomiarów SERS z ich wodnego roztworu o stężeniu 10^-4M i zarejestrowane z różnych punktów powierzchni są powtarzalne (Fig. 6). Względne intensywności pasm charakterystycznych dla p-aminotiofenolu poja-1 -1 -1 wiające się przy częstościach 840 cm^-1, 1080 cm^-1 i 1589 cm^-1 są powtarzalne w 80% dla wszystkich zarejestrowanych widm.

Korzystnie częstości i względne intensywności pasm p-aminotiofenolu są powtarzalne w obrębie czterech różnych platform do pomiarów SERS uzyskanych tą samą metodą według wynalazku

PL 219 706 B1 (Fig. 7). Powtarzalność częstości i względnych intensywności pasm jest większa od 75% w obrębie czterech platform A, B, C i D (Fig. 7) wytworzonych zgodnie z wynalazkiem.

Dla opisanego powyżej układu (p-aminitiofenol zaadsorbowany na platformie do pomiarów

SERS) oszacowano współczynnik wzmocnienia korzystając z podanej wyżej zależności:

EF= (ISERS/IRaman)/(NSERS/NRaman), który wynos 1.4x10⁶.

ISERS i IRaman oszacowano dla pasma o największej intensywności, pojawiającego się przy czę-1 stości 1589 cm^- przypisanego drganiu v_8a pierścienia aromatycznego p-aminotiofenolu odpowiednio w widmie SERS i w normalnym widmie Ramana. Normalne widma Ramana rejestrowano z 10 mM roztworu wodnego p-aminotiofenolu, stosując linię wzbudzającą o długości 786 nm i moc lasera 150 mW. N_sers i N_Raman odpowiadają liczbie molekuł - wzbudzonych wiązką laserową, odpowiednio, w trakcie pomiarów SERS i rejestracji normalnego widma Ramana w roztworze molekuł p-aminotiofenolu.

W innym korzystnym przykładzie realizacji, na platformę SERS według przykładu 1 naniesiono 2 mikrolitry 10^-4M roztworu L-aniliny w wodzie i po wysuszeniu platformy zarejestrowano widma SERS (Fig. 8). Widma rejestrowano stosując linię wzbudzającą o długości 786 nm, moc lasera wynosiła 10 mW, a czas akumulacji widma 5 minut (fig. 8). W tym przypadku oszacowany współczynnik wzmocnienia (EF) dla L-alaniny wyniósł 1.9x10⁴.

Analogiczne pomiary wykonano dla platform uzyskanych według przykładów 2 i 3, uzyskując bardzo zbliżone wyniki.

Platforma według wynalazku cechuje się wysokim współczynnikiem wzmocnienia rzędu 10⁶i bardzo dobrą powtarzalnością rejestrowanych widm zarówno w obrębie jednej (nie mniejsza niż 80%) jak i kilku platform (nie mniejsza niż 75%).

Platforma według wynalazku może być wykorzystana do pomiarów SERS szerokiego spektrum związków (np. związków nieorganicznych, związków organicznych w tym barwników, peptydów, naturalnych związków organicznych znajdujących się w komórkach żywych, jak na przykład fenyloalanina czy DNA, związków biologicznie czynnych i procesów biologicznych, jak na przykład w badania neuroprzekaźników takich jak katechol, dopamina, epinefryna, nukleotydów, nukleozydów, membran i cytochromów). Przedmiot wynalazku może być dedykowany także detekcji i charakterystyce wirusów i bakterii, oddziaływań leków z białkami czy modyfikacji posttranslacyjnych. Dzięki wymienionym wyżej właściwościom przedmiot wynalazku może być wykorzystany jako aktywna platforma w konstrukcji biosensorów, czyniąc technikę SERS użytecznym narzędziem analitycznym w diagnostyce medycznej.

Claims

1. Platforma do pomiarów powierzchniowo wzmocnionego efektu Ramana obejmująca powierzchnię półprzewodnika posiadającą wąsy, pokrytą metalem wybranym z grupy obejmującej srebro, złoto, platynę, miedź i/lub ich stopy, znamienna tym, że wspomnianym półprzewodnikiem jest azotek zawierający gal i wewnątrz zasadniczo każdego wąsa znajduje się defekt liniowy.

2. Platforma według zastrz. 1, znamienna tym, że wspomniane wąsy są połączone ze sobą końcami odległymi od wspomnianej powierzchni półprzewodnika, tworząc stożkowe pęczki.

3. Platforma według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że wspomnianym defektem krystalicznym jest dyslokacja lub domena inwersyjna.

4. Platforma według dowolnego z poprzedzających zastrz. od 1 do 3, znamienna tym, że grubość warstwy wspomnianego metalu na wspomnianej powierzchni półprzewodnika wynosi od 50 nm do 150 nm, korzystniej od 70 nm do 80 nm.

5. Platforma według dowolnego z poprzedzających zastrz. od 1 do 4, znamienna tym, że długość wspomnianych wąsów wynosi od 0,2 μm do 2,0 μm, korzystniej od 0,5 μm do 1,5 μm.

6. Platforma według poprzedzających zastrz. od 1 do 5, znamienna tym, że średnica wspomnianych wąsów wynosi od 40 nm do 150 nm, korzystniej od 50 nm do 70 nm.

7. Platforma według dowolnego z poprzedzających zastrz. od 1 do 6, znamienna tym, że stosunek długości wspomnianych wąsów do ich średnicy wynosi od 5 do 50, korzystniej od 10 do 30.

8. Platforma według dowolnego z poprzedzających zastrz. od 1 do 7, znamienna tym, że gęstość powierzchniowa wąsów na wspomnianej powierzchni półprzewodnika wynosi od 10⁸/cm² do 10¹⁰/cm².

9. Platforma według dowolnego z poprzedzających zastrz. od 1 do 8, znamienna tym, że wspomnianym metalem jest złoto.

PL 219 706 B1

10. Platforma według dowolnego z poprzedzających zastrz. od 1 do 9, znamienna tym, że wspomnianym azotkiem zawierającym gal jest azotek galu GaN.

11. Platforma według zastrz. 10, znamienna tym, że wspomniana powierzchnia półprzewodnikowa z azotku galu jest powierzchnią zbliżoną do płaszczyzny krystalograficznej o wskaźnikach Millera (0001) czyli płaszczyzny krystalograficznej C o polarności Ga.

12. Platforma według zastrz. 10, znamienna tym, że wspomniana powierzchnia półprzewodnikowa z azotku galu jest powierzchnią zbliżoną do płaszczyzny krystalograficznej o wskaźnikach Millera (000-1) czyli płaszczyzny krystalograficznej C o polarności N.