Відділ функціональних перетворювачів для сенсорної техніки

Деталі: Перегляди: 7478

Відділ функціональних перетворювачів для сенсорної техніки

зав. відділом

Кукла Олександр Леонідович

доктор фіз.-мат. наук, с.н.с.

тел. 525-23-32, внутр. 7-32 к.426, корп.5

ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Склад відділу

	Мацас Євген Петрович с.н.с., канд. фіз.-мат. наук тел. 525-54-78, внутр. 7-45 к.437, корп.5 ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
	Матвієнко Людмила Михайлівна молодший наук. співр. тел. внутр. 6-04, к.112, корп. СКТБ
	Чегель Володимир Іванович с.н.с., докт. фіз.-мат. наук тел. 525-56-26, внутр. 3-09 к.423, корп.5 ел. пошта: vche111@ yahoo.com
	Лопатинський Андрій Миколайович наук. співр., канд. фіз.-мат. наук тел. 525-59-55, внутр. 2-17 к.421, корп.5 ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
	Капшученко Наталія Миколаївна пров. інж., тел. 525-23-32, внутр.7-38 к.422, корп.5 ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
	Павлюченко Олексій Сергійович наук. співр., тел. 525-56-26, внутр.3-09 к.423, корп.5 ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
	Мамикін Андрій Васильович молодший наук. співр., тел. 525-23-32 внутр. 7-32, к.426, корп.5 ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
	Федченко Олександр Миколайович наук. співр., тел. 525-59-55, внутр.5-12 к.124, корп.5
	Суровцева Олена Ростиславівна наук. співр., тел. 525-59-55, внутр.5-12 к.124, корп.5
	Вахула Олександр Анатолійович молодший наук. співр. тел. 525-59-55 внутр. 5-12, к.124, корп.5 ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
	Литвин Віталій Костянтинович молодший наук. співр., тел. 525-56-26 внутр.3-09 к.423, корп.5 ел. пошта: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.
	Гапич Василь Петрович пров. інж., тел. 525-59-55, внутр.2-17 к.421, корп.5
	Могильний Ігор Володимирович аспірант, тел. 525-56-26, внутр.3-09 к.423, корп.5

Дослідження

Основні напрямки наукової і науково-технічної діяльності відділу:

Дослідження та розробки в області оптоелектронної, мікро- та наноелектронної сенсорики, орієнтовної на детектування хімічних та біологічних речовин у водних/газових середовищах, розвиток фізико-технологічних принципів молекулярної та адсорбційної електроніки і плазмоніки.

1) Дослідження молекулярно-іонних адсорбційних ефектів в наноструктурованих електрополімерних, біополімерних, каліксаренових і композитних метал-органічних матеріалах та встановлення фізико-хімічних механізмів впливу досліджуваного газового/рідкого середовища на оптичні, електрофізичні та гравіметричні ефекти в чутливих шарах сенсорних елементів, створення моделей газової, іонної та молекулярної чутливості відповідних сенсорів;

2) Розробка та створення прототипів біо- та хімічно чутливих сенсорних елементів та їх багатоканальних масивів на основі оптичних, кондуктометричних, потенціометричних, акустичних та хемосорбційних принципів перетворення сигналів;

3) Розробка оригінальних алгоритмів та методів статистичного аналізу для математичної обробки багатовимірних даних відгуків від масивів сенсорів за технологією розпізнавання хімічних образів з метою їх запровадження в системах електронний “ніс” та “язик”;

4) Створення експериментальних та робочих зразків аналітичних сенсорних приладів для медико-екологічних та промислово-технологічних потреб.

Досягнення

Найбільш вагомі наукові і науково-технічні результати:

Встановлено основні типи фізичних взаємодій між молекулами газових аналітів та макромолекулами електропровідних полімерів (ЕПП) та запропоновані моделі модуляції електропровідності в системі “аналіт – допант – електрополімер” під впливом аналіту, що засновані на концепції переносу часткового заряду між ЕПП та адсорбованими молекулами аналіту.

Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено швидкий метод відбору окремих сенсорів до оптимального сенсорного масиву та показано, що такий масив буде складатися з набору не більше ніж 4-6 сенсорів, які мають найкращі показники власної селективності до ряду досліджуваних аналітів.

Показано, що хеморезистивні газові сенсори на основі плівок ЕПП, допантами до яких є великі гетерополіаніони напівпровідникових оксидів типу Кегіна PMe₁₂O₄₀ (де Ме - перехідні метали Мо, W або V), мають суттєво вищу власну селективність до органічних сполук та покращену стабільність електропровідних характеристик в порівнянні з такими ж сенсорами із звичайними допантами.

Встановлено, що під впливом молекул газу змінюється співвідношення між числом поляронів і біполяронів, які є двома основними формами носіїв заряду в полімері полі(3-метил)тіофен та відрізняються суттєво різною рухливістю,що безпосередньо впливає на електропровідність полімерного шару та визначає величину і знак відгуку хеморезистивних сенсорів на його основі.

Розроблено метод кількісного аналізу багатокомпонентної газової суміші за допомогою масиву хеморезистивних сенсорів з перехресною чутливістю та вперше реалізовано спробу вирішення оберненої задачі кількісної ідентифікації 4-х-компонентних газових сумішей органічних молекул-розчинників в атмосферному повітрі.

Встановлено фізичний механізм газочутливості острівцевих золотих плівок з перколяційним характером електропровідності в сукупності з тонкими шарами органічних молекул – нанорухливість острівців металу під дією механічних напружень в органічному шарі.

Запропоновано механізм виникнення нестабільності електричних параметрів іон-селективних польових транзисторів (ІСПТ) при роботі в рідинах, що пов'язаний з процесом накопичення нерівноважного позитивного заряду в приповерхневому шарі діелектрика (нітриду кремнію) на границі розділу з електролітом за тривалої дії прикладеного електричного поля.

Розроблено ряд фізико-хімічних моделей для відтворення відгуків ферментних сенсорів на багатокомпонентні суміші токсичних речовин (іонів важких металів та органічних пестицидів) у різних концентраціях та запропоновано алгоритми вирішення зворотної задачі (кількісного визначення складу сумішей по значеннях відгуків сенсорного масиву). Експериментально підтверджено ефективність цього підходу за допомогою масиву ферментних сенсорів на основі ІСПТ.

Реалізовано динамічну частотно-розподілену модель багатоелементної електрохімічної системи за принципом "одна частотна точка вимірюваного імпедансу - один сенсор" на основі ємнісної комірки з досліджуваним розчином та спектроімпедансного методу дослідження, придатну для розпізнавання рідинних середовищ.

Теоретично розраховано та експериментально підтверджено можливістьвизначення кількісного складу 2- та 3-компонентних електропровідних та діелектричних гетерогенних рідких сумішей (водно-спиртових, бензино-спиртових та бензино-водно-спиртових) шляхом вимірювання частотних залежностей складових імпедансу розчинів в широкому діапазоні частот та визначення з них питомого опору і діелектричної проникності досліджуваного розчину, а з останніх - кількісного складу суміші.

Запропоновано спосіб побудови багатоелементної оптоелектронної системи газового аналізу на основі одного фотоприймального пристрою з цифровою фіксацією R,G,B-компонент світла та масиву інтерференційно забарвлених органічних шарів, та показана результативність такої системи для детектування і розпізнавання газів.

Запропоновано адсорбційно-дифузійну модель взаємодії газів з тонкими органічними плівками каліксаренів різних типів, доведено наявність неоднорідної адсорбції поверхневого типу для більшості каліксаренів та показано, що з із низки досліджених трет-бутильних каліксаренів найкращими за величиною та лінійністю адсорбційної ізотерми є каліксарени 5-го та 6-го типів.

Розроблено серійну та високо відтворювану технологію хімічного синтезу тонких однорідних чутливих покриттів на основі композитних каліксарен-фотополімерних шарів для колориметричного детектування парів аміаку с високою чутливістю на рівні 0.1 ррм.

Методами плазмонного резонансу та електрохімічної імпедансної спектроскопії вперше встановлено закономірності адсорбції біомолекул на тіолізованих шарах золота, зокрема, продемонстровано залежність адсорбції від прикладеного електричного потенціалу. Розроблено технологію електрохімічного біосенингу на поверхневому плазмоному резонансі з регулюванням прикладеного електричного потенціалу в залежності від ізоелектричних властивостей біомолекули.

Розроблено теоретичне підґрунтя для опису явища підсилення флуоресцентного сигналу за допомогою високопровідних металевих наноструктур на діелектричній підкладці.

Розроблено методику молекулярного імпринтингу з підсиленням сигналу в сенсорах на поверхневому плазмоному резонансі шляхом створення об’ємних плазмонних наноантен з інтегрованих наночастинок золота.

Розроблені композитні полімерні системи з включеннями наночасток з реверсивними оптоелектронними та фізико-хімічними властивостями використано в матеріалах з окислювально-відновлювальними властивостями для створення відтворюваних багаторазових переключень оптоелектронних систем.

Розроблена нова технологія створення полімерних матричних структур бажаної конформації для афінних біосенсорів, що базується на процесі фотополімеризації в зоні розсіяння світла, індукованого поверхневими плазмонами.

Розроблена нова оптична біосенсорна методика, яка базується на можливості варіації агрегатного стану колоїдного золота зі стабілізуючим покриттям на поверхні наночастинки, яка виявляється в значному зміщенні позиції спектра екстинкції (до 200 нм) та може бути зареєстрована неозброєним оком.

За допомогою отриманої фундаментальної бази створено низку новітніх сенсорних аналітичних пристроїв експресної дії для визначення хімічних речовин в газових і рідких середовищах: електронний полімерний “ніс”, біоелектронний “язик”, оптоелектронні “НаноПлазмон” та колориметричний “ніс”.

Розробки

Найбільш вагомі науково-технічні розробки:

- Серія мультибіосенсорних приладів МЕС-2, МЕС-3, МЕС-5 на основі масивів рН-чутливих польових транзисторів для ферментного прямого або інгібіторного аналізу хімічних (в т.ч. токсичних) речовин у водних середовищах, продуктах харчування, напоях і т.і., а також основних метаболітів крові (глюкози, сечовини, креатиніну) у фізіологічних розчинах.

- Мікроелектронні твердотільні потенціометричні рН-чутливі електроди уніфікованого типу на основі інтегральних кремнієвих кристалів з диференційною парою рН-чутливих польових транзисторів. Електроди призначені для біосенсорних приладів серії МЕС та інших сенсорних застосувань.

- Портативний імпедансний аналізатор розчинів ІМ-1 для ідентифікації низькоомних водно-спиртових розчинів (марок горілчаних напоїв) за технологією розпізнавання хімічних образів та спеціалізований варіант аналізатора ІМ-2 для дослідження кількісного складу слабопровідних та діелектричних багатокомпонентних органічних розчинів, в т.ч. на основі бензинів, нафти, масел.

- Оптоелектронний біосенсорні прилади “НаноПлазон-03” та “ФлюоротестНано” на ефекті локалізованого плазмонного резонансу в металевих наноструктурах, які дозволяють відслідковувати процеси в нанорозмірних системах, що призводять до локальних змін показника заломлення середовища, й придатні для дослідження бімолекулярних взаємодій.

- Оптоелектронні колориметричні газоаналізатори КД-1, КД-2 універсального типу для детектування газів та органічних газових сумішей за інтерференційною зміною кольору тонких органічних шарів, та спеціалізований оптоелектронний блок до течошукача летючих газів КД-3 (аміак, аміл, гептил) на основі хімічних колірних індикаторівдля визначення місць розгерметизації промислового обладнання, що заповнене аміаком.

- Комерційний оптоелектронний аналізаторний прилад - віскозиметр “АМВ-3” для контролю якості незбираного молока із функцією визначення кількісного вмісту соматичних клітин у молоці.

- Мікроелектронні хеморезистивні датчики уніфікованого типу на основі диференційних растрових систем металевих електродів з типовими розмірами растрового елементу від 10 до 100 мкм для рідинної кондуктометрії та імпедансметрії.

- Методики кількісного аналізу багатокомпонентних газових та рідких сумішей за допомогою масивів сенсорів з перехресною селективністю з використанням методів регресійного аналізу.

- Методика кількісного аналізу дво- та трикомпонентних водно-органічних сумішей з похибкою визначення об’ємного вмісту компонент не гірше 0.5-1 %.

- Методика ідентифікації водно-спиртових напоїв (марок горілчаних виробів).

Обладнання та установки:

2-1

Багатоканальний біохімічний аналізатор “ІСПТ-2”

Портативний біохімічний аналізатор “ІСПТ-3”

Оптоелектронні блоки до течешукачів аміаку

Аналізатор якості водно-спиртових розчинів ІМ-1

ЛСПР спектрометр НаноПлазмон

Аналізатор якості молока АСК-1

5.5

Модифікований портативний біохімічний аналізатор МЕС 5.5

1-03

Аналізатор якості молока АМВ-1-03

Диференційні електроди на основі рН-чутливих польових транзисторів

Портативний імпедансний вимірювач високоомних органічних розчинів ІМ-2

3-1

Спеціалізований колориметричний газоаналізатор -течочукач КД-3

Портативний колориметричний аналізатор аміаку

Обладнання

Відділ має наступне вимірювальне обладнання: двоканальний UV-VIS спектрофотометр UNICO-432, оптичний 400-кратний мікроскоп UNICO-5та фотокамера MICROmed XS-3330 до нього, інтерференційний мікроскоп МИИ-4, осцилограф цифровий Agilent Techn. 150 МГц DSO 3152A, генератор спеціальних сигналів MATRIX MFG-2110F, блок живлення 3х-канальний MATRIX MPS-3003L, імпеданс-метр LCR-821 Gw Instek, мультиметр Fluke-287, рН-метри Cyberscan pH-110, УЗ мийка УЗМ-002, муфельна піч SNOL 13/1100, центрифуга Microspin 12 Compact, установка вакуумного напилення ВУП-5, інші аналогові осцилографи, генератори, блоки живлення.

Проекти

INCO-COPERNICUS проект № IC15-CT96-0818: “Development and design of new types of chemical sensors and sensor arrays for medicine, biology and ecology”, 1997-1999 рр.
Проект № М/358-2003 «Наноелектронні сенсорні елементи для застосування в системах хімічного розпізнавання» з Інститутом технічної фізики університету м. Касселя, Німеччина, 2003-2004 рр.
Проект “Розробка нові функціональних багатокомпонентних тонких полімерних шарів для сенсорних систем хімічного розпізнавання” з Гомельским державним університетом ім. Ф. Скоріни, Гомель, Білорусь, 2004-2005 рр.
Проект “Самозбірні наноструктури” з лабораторією фізичної хімії супрамолекулярних систем Інституту Фізичної хімії Російської Академії Наук, Москва, Росія, 2005-2006 рр.
Проект “Розробка багатофункціональної полімерної матричної структури для застосування в споріднених біосенсорах та рідинній хроматографії” з Технічним Університетом м. Стамбул, Туреччина, 2005-2008 рр.
Проект Державного фонду фундаментальних досліджень Ф25/149/1 “Дослідження спектральних, структурних електроадсорбційних, оптичних та газочутливих характеристик нанорозмірних плівок електропровідних полімерів та органічних напівпровідників для систем хімічного розпізнавання”, 2007-2008 рр.
УНТЦ проект №3880 “Розробка ферментних мультисенсорних масивів для екологічного моніторингу токсичних речовин”, 2006-2007 рр.
УНТЦ проект №3643, “Розробка хемосенсорних матеріалів та обладнання для визначення забруднюючих речовин та токсичних агентів у навколишньому середовищі”, 2007-2009 рр.
УНТЦ проект №4591 “Розробка ферментного мультисенсорного масиву для екологічного моніторингу токсинів”, 2009-2012 рр.
Нато проект CBP.NUKR.CLG № 984221 “Development of biosensors for botulinum neurotoxin determination with applicability to screening foods against biological terrorist attacks”, 2010-2012 рр.
УНТЦ проект №6044 “Розробка “розумних наноносіїв” на ефекті фототеплового плазмонного підсилення для цільової доставки ліків в організмі людини”, 2015-2016 рр.

Участь у державних та академічних програмах

Державна цільова науково-технічна програма “Розроблення і створення сенсорних наукоємних продуктів”, тема 1.3.2/16 (2008-2012),

Державна цільова науково-технічна програма «Нанотехнології та наноматеріали», тема 7/10-СП1 (2010-2014),

Державна цільова програма “Розроблення і створення сенсорних наукоємних продуктів”, тема 1.3.1.1/16 (2014-2017).

Комплексна науково-технічна програма НАНУ “Сенсорні системи для медико-екологічних та промислово-технологічних потреб“, теми 51/16/1-4 (2010-2012),

Комплексна науково-технічна програма НАНУ “Сенсорні прилади для медико-екологічних та промислово-технологічних потреб: метрологічне забезпечення та дослідна експлуатація“, теми 51/16/1-6 (2013-2017),

Цільова науково-технічна програма НАН України “Дослідження і розробки з проблем підвищення обороноздатності і безпеки держави“, тема 5/3 (2017-2018)

Публікації

2019

Пошук

Навігаційний перегляд пошуку

Навігація