Зайцев Владимир Борисович
«Нанотехнологии в сенсорах для молекулярного анализа»
Описание курса:
В данном двухсеместровом межкафедральном курсе из всего обилия сенсоров уделено внимание твердотельным сенсорам для молекулярного анализа, то есть анализа состава газов и жидкостей. В западной литературе такие сенсоры принято называть химическими в том смысле, что они позволяют анализировать химический состав веществ. Литература по сенсорам насчитывает многие тысячи статей. Это количество постоянно нарастает. При обилии статей по этой тематике остро ощущается нехватка учебных пособий по сенсорам для молекулярного анализа, особенно на русском языке. Имеется некоторое количество учебных пособий на эту тему на английском языке. Небольшая часть из них переведена на русский язык. Однако каждая из книг не дает обзора всех типов применяемых сенсоров, а ограничивается рассмотрением нескольких или даже одного их типа, например, только полупроводниковых сенсоров или только биосенсоров. Настоящий курс лекций читается на физическом факультете уже ряд лет и призван восполнить существующий пробел в учебной литературе, то есть отсутствие единого учебника по физическим основам построения сенсоров, где были бы собраны и сведения по физике поверхности в кратком изложении, по другим физическим и химическим явлениям, которые могут лечь в основу построения газовых и жидкостных сенсоров, и принципы использования этих закономерностей для построения сенсоров. Кроме того, в этом курсе отражены оригинальные работы по построению основ высокоизбирательных полупроводниковых сенсоров с применением принципов молекулярной электроники, ведущиеся на кафедре общей физики и молекулярной электроники физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Представленный курс лекций полезен для студентов старших курсов физического факультета и некоторых других факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова, т.к. содержит в кратком изложении описание различных физических явлений, на основе которых строятся сенсоры, а также сведения об основных способах построения сенсоров для молекулярного анализа. Особое внимание уделено применению при построении сенсоров нанотехнологий, биотехнологий, элементов молекулярной электроники и тем преимуществам, которые могут быть получены за счет этого. В материалах лекций отражены, в том числе, и достижения в области сенсорики сотрудников кафедры общей физики и молекулярной электроники физического факультета, а также сотрудников химического и биологического факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова. Обновленная двухсеместровая версия специального курса отличается тем, что материал лекций дополнен новыми сведениями из современной литературы, а также тем, что в курс введены лекции и занятия второго семестра, посвященного более глубокому знакомству студентов с сенсорикой и самыми современными тенденциями развития сенсоров. Во втором семестре планируется углубленное, частично самостоятельное, под контролем преподавателя, знакомство студентов с самыми новыми работами по выбранным разделам сенсорики (когда каждый студент выбирает себе одну из предложенных тем для более глубокого знакомства). После этого будет проведено совместное заслушивание и обсуждение результатов работы студентов. Таким образом, вся группа слушателей межкафедрального курса ознакомится с последними тенденциями развития сенсоров для молекулярного анализа. Материал обоих семестров подготовлен для преподавания как в очной, так и в дистанционной (или смешанной) формах. Для этого создан набор презентаций, иллюстраций и методических материалов. Ниже план курса весеннего семестра.
План курса:
Лекция 1
Вводное занятие: Необходимость использования сенсоров. Обзор сенсоров на различные типы сигналов. Типы детектируемых сигналов и соответствующая схема классификации сенсоров. Схема устройства сенсорной системы. История появления полупроводниковых и др. сенсоров.
Лекция 2
Химические сенсоры – для молекулярного анализа: Проблема создания “искусственного носа”. Основные требования к сенсорам для молекулярного анализа. Физика поверхности и тонких пленок, как основа для молекулярной сенсорики. Краткий обзор физических принципов и видов адсорбции. Краткая информация о гетерогенном катализе. Сенсоры на водород с использованием палладия.
Лекция 3
Нанотехнологии в резистивных полупроводниковых сенсорах: Полупроводниковые сенсоры “резисторного” типа. Полупроводниковые хемирезисторы с химическими реакциями на поверхности. Эффект поля в полупроводниках. Хемирезисторы на эффекте поля. Нанотехнологические подходы к увеличению чувствительности хемирезисторов.
Лекция 4
Физика МП и МДП сенсоров: Эффект поля в структурах металл-полупроводник (МП) и металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Сенсоры на основе диодов Шоттки, МДП конденсаторов и полевых транзисторов. Проблемы селективности полупроводниковых сенсоров.
Лекция 5
Материалы для сенсорики: Полупроводниковые материалы для сенсоров. Ленгмюровские технологии и ЛБ пленки в сенсорах. Выбор материалов для детектирования конкретных газов. Пути повышения чувствительности сенсоров с помощью нанотехнологий. Возможные пути повышения селективности сенсоров.
Лекция 6
Фотосенсибилизация электронных процессов в полупроводнике с помощью органических красителей: Эффект фотосенсибилизации электронных переходов в полупроводнике с помощью органических красителей. Механизмы переноса энергии. Конкурирующие каналы переноса энергии электронного возбуждения от молекулы органического красителя, адсорбированной на поверхности полупроводника.
Лекция 7
Построение полупроводниковых газовых сенсоров чувствительных к колебательному спектру молекул: Электронно-колебательные взаимодействия в адсорбционной фазе и их влияние на фотосенсибилизацию электронных переходов в полупроводниках. Принципы построения селективных сенсоров на основе полупроводников с адсорбированными молекулами органических красителей. Сенсоры, чувствительные к изотопно-замещенным молекулам. Сенсоры на BTEX – газы.
Лекция 8
Оптические и ИК-спектроскопические сенсоры: Спектроскопия отражения и ее применение для газового анализа. Эллипсометрия тонких пленок, ее применение в газовом анализе. Влияние адсорбции на поверхностный плазмонный резонанс. Сенсоры на поверхностном плазмонном резонансе. Применение инфракрасной спектроскопии в газовом анализе. Интегральные ИК газовые сенсоры.
Лекция 9
Сенсоры с использованием комбинационного рассеяния света и фотоакустические сенсоры: Комбинационное рассеяние света (КРС). Применение КРС в газовом анализе и сенсорике. Фотоакустический эффект. Возбуждение акустических волн в газе модулированным излучением. Фотоакустические газовые сенсоры.
Лекция 10
Волоконнооптические и интерференционные сенсоры: Метод нарушенного полного внутреннего отражения. Влияние адсорбции на поверхности световода на распространение в нем световой волны. Регистрация сдвига фазы или поглощения света в волоконной оптике. Интегральные волоконно-оптические интерферометры в сенсорике.
Лекция 11
Пьезоэлектрические “весы”- сенсоры: Пьезоэффект. Кварцевый пьезорезонатор, эквивалентная схема, описание работы пьезорезонатора. Построение пьезосенсоров – детекторов массы с активным электродом и избирательной адсорбционной способностью.
Лекция 12
Сенсоры на поверхностных акустических волнах: Поверхностные акустические волны, типы волн, способы генерации в пьезоэлектриках. Влияние адсорбции на распространение поверхностных акустических волн. Построение сенсоров на поверхностных акустических волнах различного типа.
Лекция 13
Детекторы массы с использованием АСМ зондов: Построение сенсоров – детекторов массы с использованием зондов атомно-силового микроскопа и избирательной адсорбции. Методы детектирования адсорбированной массы.
Лекция 14
Пироэлектрические сенсоры: Пироэлектрический эффект, возбуждение пироэлектрического сигнала. Влияние адсорбции на пироэлектричество. Варианты построения газовых сенсоров с использование пироэлектриков.
Лекция 15
Биосенсоры. Общие свойства: Принципы и механизмы избирательности биосенсоров. Основные концепции построения биосенсоров. Принципы преобразования сигналов из одной формы в другую в биосенсорах. История биосенсоров. Основные проблемы при построении биосенсоров.
Лекция 16
Пример афинных биосенсоров: Генные чипы в сенсорике. Принцип действия. Методы создания.
Лекция 17
Пример биометаболических сенсоров и сенсоров, использующих цепочки связанных биореакций: Сенсоры на люминесцирующих бактериях. История создания. Методы генной модификации бактерий. Методы построения сенсорных систем на бактериальной люминесценции. Направления развития и будущее биосенсоров.
