Оптофлюидика является новой областью исследований, которая привлекла значительный интерес в последнее десятилетие. Ключевой концепцией этого направления является совмещение нанокапиллярных сред и оптических элементов на едином стеклянном чипе для фундаментальных применений в науке и технике. Цель проводимых исследований ― обнаружение предельно малого количества молекул в жидкости или газовой среде.
«Наша команда разрабатывает, изготавливает и тестирует целый ряд функциональных элементов в силикатных материалах для построения нанофлюидных оптических элементов и систем на чипе, ― рассказывает научный сотрудник факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Роман Заколдаев. ― Сегодня мы представили флуоресцентный волноводный сенсор, интегрированный в пористое стекло».
Причем тут поры?
Для подложки сенсора было выбрано особое силикатное стекло, прозрачное и вместе с этим насквозь пронизанное нанокапиллярами. Размер таких капилляров обеспечивал свободный захват и перенос молекул индикатора и детектируемого вещества по всему объему подложки. Для детектирования использовался этанол ― как широко распространенное в биомедицинских применениях вещество с малым размером молекул.
«Мы выбрали такое стекло в связи с уникальной комбинацией его свойств ― высокой оптической прозрачностью, прочностью и сильной адсорбцией молекул вещества из окружающей среды, ― рассказывает аспирант факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Чжун Лицзин. ― На первый взгляд, последнее свойство может быть недостатком, однако для сенсорики оно становится существенным преимуществом».
Лазером по стеклу
Для повышения эффективности и устранения недостатков существующих оптических сенсоров ученые из Университета ИТМО предложили новый тип функционального элемента в виде объемного волновода, оболочкой для которого является нанокапиллярная прозрачная среда. В таком виде оптические свойства волновода напрямую зависят от свойств захваченных оболочкой молекул, а чувствительность волновода определяется присутствием вокруг него индикатора.
Появление такого элемента стало результатом многочисленных исследований, проводимых научным коллективом на протяжении последних пяти лет. За это время был выбран подходящий по свойствам материал для записи волноводов и отработаны режимы их создания с оптимальной формой.
«Прямая лазерная запись волноводов и других функциональных структур в оптических материалах существенно расширяет возможности современных нанокапиллярных сенсоров за счет совмещения уникальных свойств структуры исходного материала и созданного в нем элемента, ― рассказывает научный сотрудник факультета лазерной фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Максим Сергеев. ― Для нас лазерные импульсы мощного излучения становятся высокоточным инструментом при аккуратной обработке оптического материала. В результате лазерного воздействия происходит формирование более плотной структуры, которая представляет собой волновод, а разрушение материала при этом исключается».
Когда зеленый свет переходит в красный
Одного такого волновода, соединенного с нанокапиллярами, оказалось недостаточно, чтобы сделать чувствительный датчик. Чтобы волновод мог реагировать на присутствие этанола, в его оболочку внедрялись молекулы индикатора, которые взаимодействовали с детектируемым веществом. Возбуждение индикатора осуществлялось зеленым светом, в результате чего на выходе из волновода наблюдалась флюоресценция. Появление этанола в исследуемой среде приводило к смещению пика флюоресценции в красную область спектра.
В результате экспериментов научная группа из лаборатории «Лазерных микро- и нанотехнологий» продемонстрировала работоспособность волноводов с нанокапиллярной оболочкой в качестве функционального элемента опто-флюидной системы на чипе.
Авторы исследования подчеркивают, что представленная технология постоянно развивается и обладает несомненными перспективами в приложениях газоанализа. Универсальность предложенного сенсора заключается в применении различных индикаторов для детектированных жидкостей.
При детектировании других веществ, например, метана или другого опасного газа, выбирается индикатор, чувствительный к этому веществу. Особенность предложенной технологии заключается в возможности изготовления нескольких волноводов с различными индикаторами на одной подложке.
Результаты работы исследователей опубликованы в журнале Nanomaterials. Исследование выполнено за счет гранта РФФИ (№ 19-52-52012 MHT_a).
Статья: Lijing, Z.; Zakoldaev, R.A.; Sergeev, M.M.; Veiko, V.P. Fluorescent Bulk Waveguide Sensor in Porous Glass: Concept, Fabrication, and Testing. Nanomaterials 2020, 10, 2169.
