Іонізаційна підкладка на основі структур макропористого кремнію для лазерно-десорбційної мас-спектрометрії

Реферат: Іонізаційна підкладка для лазерно-десорбційної мас-спектрометрії, яка виготовлена з кремнієвої пластини і має шар мікропористого кремнію з розмірами нанокристалів 2÷3 нм та пористістю 60÷70 % та додатково сформовано шар макропористого кремнію у вигляді паралельно розташованих циліндрів. UA 97774 C2 (12) UA 97774 C2 UA 97774 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Запропонований винахід належить до технологій виготовлення іонізаційних підкладок для лазерно-десорбційної мас-спектрометрії при вимірюванні відношення маси іонів до їхнього заряду в умовах іонізації високомолекулярних сполук без руйнування молекул. Методи лазерно-десорбційної мас-спектрометрії (LDI) і матрично-активованої лазернодесорбційної мас-спектрометрії (MALDI) активно розвиваються в останні роки. Найбільш вражаючий успіх фундаментальних наук останнього часу, розшифрування генома людини, став можливим виключно завдяки методу матрично-активованої лазерно-десорбційної масспектрометрії (MALDI TOF MS), впровадженому японським вченим Коічі Танака. Крім біологічних, медичних та біотехнологічних застосувань на перший план в останні декілька років виходять проблеми діагностики в області нанофізики, нанохімії, нанотехнології та нанобіології. В цілому, мас-спектрометрія займає за об'ємом продаж загальне друге (після хроматографії) місце серед наукомістких приладно-аналітичних методів. При цьому суттєвим напрямком в удосконаленні методів лазерно-десорбційної мас-спектрометрії є розробка ефективних іонізаційних підкладок як джерела іонів. Методи лазерно-десорбційної мас-спектрометрії застосовують головним чином для діагностики біологічно активних молекул, інкорпорованих в іонізаційні підкладки на основі вуглецю та кремнію. Відомим аналогом є періодичні кремнійвмісні підкладки [1], сформовані в результаті лазерної обробки кремнію у вигляді періодично розташованих мікроколонок площею 2 2 2÷30 см на 1 см поверхні. Така іонізаційна підкладка є ефективною для масспектрометричного аналізу пептидів і синтетичних полімерів. При цьому поріг ефективності підкладок сильно залежить від морфології поверхні. Аналіз пептидів можна проводити до 6,0 кDа молекулярної маси (Da - атомна одиниця маси). Механізм утворення іонів визначається тепловими, оптичними та електронно-емісійними якостями мікроколонок. Ця підкладка стабільна; лазерне випромінювання не рушить структуру. При цьому водневі радикали приєднуються до аміно- і карбонільних груп, змінюють основу пептиду. Недоліком прототипу недостатня ефективність іонізації через невелику площу підкладок з періодично розташованими мікроколонками. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип, є наноструктуровані кремнієві підкладки у вигляді вільних шарів мікропористого кремнію [2]. Шари мікропористого кремнію товщиною 55 мікрон та пористістю 65 % були виготовлені шляхом анодного травлення р+-легованих пластин кремнію в HF (49 %) та етанолі (1:1 за об'ємом). Для таких кремнійвмісних підкладок вперше одержано мас-спектри десорбції/іонізації з поверхні кремнію для вітаміну В12. На прикладі дослідження вітаміну B 12 показано, що за допомогою метода лазерно-десорбційної мас-спектрометрії можна успішно аналізувати біологічно-активні речовини небілкової природи зі складною хімічною будовою. Даний підхід демонструє низький ступінь фрагментації досліджуваної речовини. Встановлено сукупний вплив термічно-стимульованої десорбції або реструктуризації поверхні, з одного боку, та локальних електричних полів, з іншого, на процеси десорбції/іонізації в методі лазерно-десорбційної мас-спектрометрії. Виявлено, що для ефективного генерування іонів при використанні наноструктурованих іонізаційних підкладок, окрім умови існування локальних електричних полів поблизу нанорозмірних особливостей поверхні, які забезпечують зону іонізації, необхідна добре організована зона «постачання» і різке зниження ефективного відведення виділеного тепла в матеріал підкладки. На прикладі барвників метиленового блакитного і метилового оранжевого показано можливість використання вільних шарів мікропористого кремнію для методу лазернодесорбційної мас-спектрометрії іоногенних низькомолекулярних речовин з молекулярною масою до 2,2 кДа. Недоліками наноструктурованих кремнійвмісних підкладок є порівняно невелика площа мікропористого шару, що знижує ефективність іонізації, масу досліджуваних молекул, збільшує труднощі монтажу та маніпулювання вільними шарами мікропористого кремнію. Задачею запропонованого винаходу є підвищення ефективності іонізації та спрощення монтажу при аналізі біологічних, неорганічних нано- та мікрооб'єктів, досліджуваних методами лазерно-десорбційної мас-спектрометрії. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в іонізаційній підкладці для лазернодесорбційної мас-спектрометрії, яка виготовляється з кремнієвої пластини і має шар мікропористого кремнію, згідно з корисною моделлю, в кремнієвій пластині сформовано шар макропористого кремнію у вигляді паралельно розташованих циліндрів глибиною 20÷300 мікрон, а шар мікропористого кремнію товщиною 0,1÷0,7 мікрона з розмірами нанокристалів 2÷3 нм та пористістю 60÷70 % сформовано на поверхні кожної макропори. 1 UA 97774 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Макропористий кремній, виготовлений методом фотоелектрохімічного травлення, займає особливе місце серед двовимірних кремнієвих структур. Це пов'язано з можливістю виготовлення структур з потрібною геометрією, великою загальною площею поверхні циліндричних макропор, формуванням комплексних структур макропористого кремнію з шаром мікропористого кремнію на поверхні макропор, наявністю вбудованого електричного поля на границі «кремнієва матриця - мікропористий кремній». Виготовлення компактних та високоякісних іонізаційних підкладок на основі двовимірних структур макропористого кремнію є перспективним для застосування в сучасних методах лазерно-десорбційної мас-спектрометрії для діагностики та сертифікації наноматеріалів та наноструктур. Переваги нового підходу щодо поліпшення якості та оперативності аналізу визначаються суттєвим розширенням та поліпшенням властивостей іонізаційних підкладок за рахунок вдосконалення їх структури та технології виготовлення, при цьому взаємодія лазерного опромінення з поверхнею структур макропористого кремнію суттєво впливає на механізми іонізації та фрагментації біологічно активних молекул. На кресленні наведена схема іонізаційної підкладки на основі двовимірних структур макропористого кремнію: 1 - лазерне випромінювання; 2 - досліджуваний об'єкт; 3 - шар мікропористого кремнію на поверхні макропор; 4 - шар макропористого кремнію; 5 - кремнієва пластина. Іонізаційна підкладка на основі двовимірних структур макропористого кремнію функціонує наступним чином. Падаюча електромагнітна хвиля 1 взаємодіє з досліджуваним об'єктом 2; при цьому в результаті впливу шару мікропористого кремнію 3 на поверхні макропор 4 на кремнієвій підкладці 5 відбувається лазерна десорбція, яка фіксується методом мас-спектрометрії. Двовимірні структури макропористого кремнію з діаметром макропор Dp=1÷10 мкм, глибиною 6 -2 Н=20÷300 мкм і концентрацією Np=(1,5÷6)·10 см виготовляються методом фотоелектрохімічного травлення монокристалічного кремнію. Періодичне розташування циліндричних макропор формується в результаті фотолітографічної процедури для виготовлення ямок травлення з подальшим фотоелектрохімічним травленням. Структури з довільним розташуванням повітряних циліндричних макропор виготовляються з застосуванням анізотропного травлення в КОН для одержання ямок травлення з подальшим фотоелектрохімічним травленням. Крім того структури макропористого кремнію після фотоелектрохімічного травлення містять шар мікропористого кремнію на стінках макропор товщиною 100÷700 нм, з розмірами нанокристалів 2÷3 нм та пористістю 60÷70 %. Комплексна макропориста структура з нанокристалами мікропористого шару на стінках макропор у 2 2 порівнянні з прототипом має більш велику площу поверхні, яка дорівнює від 10 см до 1400 см в залежності від концентрації, діаметру та глибини макропор. При цьому необхідні концентрація, діаметр та глибина макропор залежать, відповідно, від концентрації ямок травлення, одержаних на вихідній пластині кремнію; напруги та густини струму протягом фотоелектрохімічного процесу; часу проведення процесу. Запропонована нами структура макропористого кремнію з нанокристалами шару мікропористого кремнію на стінках макропор створює також додаткове вбудоване електричне 5 поле (4-9)·10 В/см на гетерограниці «мікропористий шар - кремнієва матриця», виміряне методом модуляційної спектроскопії електровідбиття. Наші дослідження показали, що: - підвищення площі іонізаційної підкладки за рахунок шару мікропористого кремнію товщиною 0,1÷0,7 мікрона на поверхні макропор підвищує ефективність іонізації не менше ніж в 10 разів у порівнянні з підкладками з кремнієвої пластини і плоским шаром мікропористого кремнію; - умови десорбційної іонізації, що створюються на поверхні макропор з мікропористим шаром при їх лазерному опроміненні, сприяють одержанню молекулярних іонів біологічно активних молекул масою до 200 кДа. - додаткове електричне поле на гетерограниці «мікропористий шар-кремнієва матриця» підвищує роль польової іонізації лазерним випромінюванням в процесах, що відбуваються на поверхні запропонованої підкладки, що дозволяє знизити фрагментацію досліджуваного молекулярного іона. Позитивний ефект запропонованого винаходу обумовлений тим, що одночасно: (1) підвищується на порядок величини ефективність іонізації у порівнянні з підкладками з кремнієвої пластини і плоским шаром мікропористого кремнію (прототипом); (2) досягаються 2 UA 97774 C2 5 10 15 20 25 30 35 значення досліджуваних мас, майже на два порядки величини вищі у порівнянні з аналогом та прототипом; (3) знижується фрагментація молекулярного іона у порівнянні з підкладками з кремнієвої пластини і плоским шаром мікропористого кремнію; (4) кремнієва структура з паралельно розташованими повітряними циліндрами та шаром мікропористого кремнію на поверхні макропор дозволяє набагато легше маніпулювати підкладкою при проведенні аналізу у порівнянні з прототипом - вільними шарами мікропористого кремнію. Крім того, запропонований винахід забезпечує: можливість багаторазового використання; відтворюваність мас-спектрів для підкладок різних партій і для підкладок різного строку використання; стабільність підкладок (зберігання без втрати якості). Приклад. Іонізаційна підкладка для лазерно-десорбційної мас-спектрометрії виготовлена з кремнієвої пластини і має шар макропористого кремнію з періодичним розташуванням паралельно розташованих повітряних циліндрів та з шаром мікропористого кремнію на поверхні кожної макропори. Для виготовлення іонізаційної підкладки була використана структура монокристалічного кремнію n-типу провідності з орієнтацією поверхні і товщиною 400 мкм. Формування кремнієвої структури з паралельно розташованими повітряними циліндрами 6 -2 діаметром Dp=2 мкм, глибиною Н=100 мкм і концентрацією Np=6·10 см проведено з використанням технології фотоелектрохімічного травлення. Товщина мікропористого шару на 2 поверхні макропор складала 100 нм. При цьому площа поверхні макропор складає 406 см на 1 2 4 2 2 см поверхні структури, а з врахуванням мікропористого шару - 3·10 см на 1 см поверхні структури. Для такої іонізаційної підкладки ефективність іонізації була в 10 разів вища (по барвнику метиленовий блакитний) у порівнянні з підкладками з кремнієвої пластини і плоским шаром мікропористого кремнію; максимальна маса молекулярного іона, досягнута в ході експерименту, складала 200 кДа (молекулярний іон бичачого сироваткового альбуміну); фрагментація молекулярного іона по ціанокобаламіну не перевищувала 50 % від інтенсивності молекулярного іона. Підкладку можна використовувати не менше 100 разів протягом одного місяця; відхилення відношення двох найбільш інтенсивних ліній мас-спектра (відтворюваність мас-спектрів) складає не більше 20 %; строк зберігання підкладок без втрати якості (стабільність) складає 1 рік. Література: 1. Wen, X, Dagan, S., Wysocki, V,H. Small-Molecule Analysis with Silicon-Nanoparticle-Assisted Laser Desorption/Ionization Mass // Anal. Chem. - 2007.- 79. - P. 434-444. 2. Shmygol I.V., Alekseev S.A., Lavrinenko O.Y., Vasylieva N.S., Zaitsev V.N., Barbier D., and Pokrovskiy V.A. Chemically modified porous silicon desorption/ionization mass spectrometry of ionic dyes // Journal of Mass spectrometry. - 2009. - 44 (8). - P. 1234-1241. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 45 Іонізаційна підкладка для лазерно-десорбційної мас-спектрометрії, яка виготовлена з кремнієвої пластини і має шар мікропористого кремнію, яка відрізняється тим, що в кремнієвій пластині додатково сформовано шар макропористого кремнію у вигляді паралельно розташованих циліндрів глибиною 20÷300 мікрон, а шар мікропористого кремнію товщиною 0,1÷0,7 мікрона з розмірами нанокристалів 2÷3 нм та пористістю 60÷70 % сформовано на поверхні кожної макропори. 3 UA 97774 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4