Отдел спектроскопии молекулярных систем и наноструктурных материалов

Eng

Rus

Ukr

Группа исследования сенсорных свойств материалов

  Состав группы

зав. отделом Камарчук Г. В.

с.н.с. Белан В.И.

м.н.с. Гудименко В.А.

м.н.с. Савицкий А.В.

инженер Герус А.О.

аспирант Гарбуз Д.А.

аспирант Климкин А.С.

 

Основные направления исследований

- Исследование сенсорных свойств точечно-контактных наноструктур.

- Исследование спектральных явлений в наноструктурных материалах.

- Исследование нелинейных токовых состояний в системах пониженной размерности.

- Анализ газа, выдыхаемого человеком.

- Разработка новых методов создания наноразмерных образцов и материалов.

- Исследование электростимулированных циклических эффектов.

- Разработка новых методов неинвазивной медицинской диагностики состояний организма человека.

 

Основные методы исследований

Микроконтактная спектроскопия Янсона, точечно-контактный метод анализа газовых и жидких сред, метод функционального моделирования низкоразмерных металлических структур (концепция протяженного элемента).

 

Оборудование

Исследовательский комплекс на основе пятиканального микроконтактного спектрометра.

Портативная аппаратура для детектирования сложных газовых сред с помощью точечно-контактных сенсоров.

 

Текущие исследования

 

 

 

Нелинейные токовые состояния точечных контактов в газовых средах

В рамках этой темы изучаются объекты и явления, которые могут быть исследованы с использованием фундаментальных принципов и технологических подходов микроконтактной спектроскопии Янсона применительно к микроконтактному газочувствительному эффекту. Перспективность этого научного направления обусловлена тем, что на основе микроконтактного газочувствительного эффекта сотрудниками отдела с соавторами уже созданы сверхчувствительные точечно-контактные наносенсоры, характеристики которых превосходят параметры всех известных в данное время аналогов. Нелинейные токовые состояния в электропроводности точечно-контактных сенсоров являются ключем к пониманию природы микроконтактного газочувствительного эффекта, что открывает неограниченные возможности для разработки наносенсоров нового типа  и создания передовых сенсорных технологий на их основе. Ведущие исполнители – В.А. Гудименко, А.С. Климкин.

 

Первое наблюдение изменения электропроводности точечного контакта под действием газовых сред, которое привело к открытию микроконтактного газочувствительного эффекта. [Europhys. Lett., 76(4), 575-581, 2006].

Квантовая сенсорика для детектирования в газах и жидких средах

Новое направление в сенсорике, предложенное сотрудниками отдела, базируется на изучении энергии взаимодействия точечно-контактной структуры с газом или жидкой средой посредством определения параметров квантованной электропроводности точечных контактов. Благодаря квантовой природе своих электрических свойств точечные контакты способны регистрировать предельно малые изменения поверхностных состояний канала проводимости точечного контакта, которые вызваны адсорбцией внешнего агента. Процедура регистрации может выполняться с максимально возможным разрешением в один квант проводимости, что соответствует добавлению одного атома исследуемого вещества к точечно-контактному каналу. В результате, точечно-контактные сенсоры обладают высочайшей чуствительностью, соответствующей пределу чувствительности сенсорных приборов. Квантовый подход предоставляет широкие возможности для разработки неограниченного спектра новых методов, приборов и технологий, так как знание энергетических параметров любой физической системы является ключевым фактором для определения и прогноза ее свойств. Энергетичекие параметры отклика точечно-контактных сенсоров позволяют не только отличать материалы друг от друга, но и анализировать сложные газовые смеси посредством регистрации их профиля без определения отдельных компонентов газовой среды. Ведущие исполнители – А.В. Савицкий, А.О. Герус.

 

Новый циклический эффект, сопровождающийся образованием квантовых дендритных точечных контактов. [J. Phys. Chem. C, 119(1), 632–639, 2015].

Структурные и электрофизические свойства точечно-контактных сенсорных мультиструктур

Важность исследования точечно-контактных сенсорных мультиструктур обусловлена рядом их уникальных свойств, среди которых сложный отклик спектрального типа, который точечные контакты генерируют под действием многокомпонентных газовых сред. До открытия, сделанного сотрудниками группы с соавторами, такой характер  сигнала отклика был неизвестен для других сенсорных устройств, которые работают на принципе изменения электрической проводимости. Это связано с тем, что точечные контакты являются наноструктурными объектами квантовой природы. Благодаря этому они способны регистрировать тонкие структурные и энергетические изменения, обусловленные адсорбцией внешних агентов. При этом временные характеристики сигнала отклика содержат в себе информацию об уровнях энергий адсорбции ингредиентов газа, которую фиксирует точечно-контактный сенсорный прибор. Вследствие влияния сложной газовой смеси зависимость электропроводности точечных контактов от времени имеет вид точечно-контактного спектра, который получают в микроконтактной спектроскопии Янсона. Такая особенность точечно-контактных сенсоров позволяет проводить анализ сложных газовых смесей путем регистрации профиля газовой среды без определения ее отдельных компонентов. Это обеспечивает реализацию нового метода для анализа сложной молекулярной системы с помощью точечно-контактных сенсорных устройств. Такой подход не имеет аналогов в сенсорной технике. Эффективность предложенного метода была продемонстрирована сотрудниками отдела с соавторами на примере анализа газа, выдыхаемого человеком. Используя то, что эта сложная биологическая газовая среда содержит продукты метаболизма бактерий, которые инфицируют организм человека, мы впервые показали возможность детектирования канцерогенных штаммов бактерии Helicobacter pylori в режиме реального времени. Результаты этого инновационного исследования опубликованы в ведущем профессиональном издании Journal of Breath Research (декабрь 2015) и в апреле 2016 г. были представлены на сайте Национальной академии наук Украины (НАНУ)  в качестве одного из выдающихся достижений научных работников НАНУ. Важность открытия, сделанного сотрудниками отдела с соавторами, заключается в том, что на данный момент ни один из существующих методов определения бактерии Helicobacter pylori не может претендовать на роль скринингового метода диагностики из-за достаточно высокой стоимости исследований. Более того, ни один из известных методов не способен определять канцерогенные штаммы бактерии в режиме реального времени. Применение точечно-контактного сенсорного анализа газа, выдыхаемого человеком, впервые создает реальную перспективу разработки нового поколения дыхательных тестов, которые благодаря своей простоте и доступности могут быть использованы для скринингового мониторинга широких слоев населения. Это обеспечит условия своевременного обнаружения канцерогенных штаммов бактерии Helicobacter pylori и предупреждения развития язвенной болезни и рака желудка на ранней стадии инфицирования даже в странах с низким уровнем жизни. Ведущие исполнители – В.А. Гудименко, Д.А. Гарбуз, В.И. Белан.

 

Точечно-контактный сенсорный дыхательный тест, обеспечивающий детектирование канцерогенных штаммов бактерии Helicobacter pylori в режиме реального времени. [J. Breath Res. 9(4), 047111 (14 pp) 2015].

Бактерия Helicobacter pylori на слизистой оболочке желудка.

Ключевые результаты

 

Открыт микроконтактный газочувствительный эффект. Суть этого явления заключается в том, что электрическое сопротивление микроконтакта (точечного контакта)  изменяется под воздействием малых (порядка единиц ppm и меньше) концентраций газов  с донорными, или акцепторными свойствами по отношению к материалу контакта с последующей быстрой релаксацией микроконтакта к равновесному состоянию после прекращения действия внешнего агента. Предложено новое направление в микроконтактной спектроскопии Янсона и физике твердого тела, связанное с применением точечных контактов для анализа газовых сред. Эффективность нового метода продемонстрирована путем создания сверхчувствительных точечно-контактных сенсоров нового типа, характеристики которых значительно превосходят параметры существующих в мире аналогов.

Открыт эффект газовой чувствительности точечных гетероконтактов. Показано, что гетероконтакты между электродами из золота и одностенных углеродных нанотрубок изменяют свое электрическое сопротивление при минимальном воздействии газовой среды. После прекращения действия газа наблюдается полное восстановление равновесных параметров исследуемых образцов. Обнаруженный эффект является основой для создания сверхчувствительных наносенсоров нового типа, параметры которых  превосходят параметры существующих в мире аналогов.

Обнаружен гигантский эффект газовой чувствительности органических проводников на основе TCNQ, который заключается в том, что электропроводность данных соединений увеличивается на 2-3 порядка под действием газа, выдыхаемого человеком.

Впервые разработана мезоскопическая микроконтактная мультиструктура на основе соединений органического проводника TCNQ. На ее базе созданы образцы газочувствительных сенсоров. Обнаружено, что сенсоры нового типа демонстрируют воспроизводимый интегральный отклик на действие газа, выдыхаемого человеком, и обеспечивают получение существенно большего объема информации в сравнении со стандартными химическими сенсорами. Это позволило предложить абсолютно новый подход к сенсорному анализу выдыхаемого газа и открыть важные корреляции между параметрами кривой отклика и состоянием организма человека.

В процессе создания точечно-контактных наноструктур дендритного типа открыт новый циклический электрохимический  эффект, в результате которого сопротивление микроконтактной структуры может изменяться во времени, проходя при этом стадии роста, уменьшения и стабилизации. Данный эффект обусловлен периодическими наноразмерными превращениями структуры образца, что обеспечивает тонкое управляющее влияние на параметры создаваемых точечных контактов. Циклические вариации проводимости во время электрохимического синтеза дендритных точечных контактов обеспечивают возможность создания наноструктур с заранее заданным атомным разрешением.

Впервые предложен и реализован оригинальный метод прецизионного определения энергии, необходимой для возникновения электрохимической реакции. Метод базируется на использовании в новом качестве наноструктурных точечных контактов, которые при погружении в жидкую среду превращаются в неизвестный ранее тип электрохимической электродной системы – протяженный наноструктурный электрохимический элемент. Он позволяет определять энергию начала электрохимических реакций на атомном уровне и может стать основой для разработки новейших сенсорных технологий селективного определения компонентов сложных молекулярных систем в жидком и газообразном состояниях.

Установлена неуреазная природа отклика точечно-контактных сенсоров на действие газовой смеси, которая выдыхается пациентами, инфицированными бактерией Helicobacter pylori. Эта инфекция является главным этиологическим фактором возникновения язвенной болезни и рака желудка. На основе точечно-контактного сенсорного анализа выдыхаемого газа предложен концептуально новый подход к неинвазивной диагностике бактерии Helicobacter pylori с использованием неуреазных продуктов ее метаболизма.

Впервые предложен оригинальный неинвазивный метод быстрого обнаружения канцерогенных штаммов бактерии Helicobacter pylori, которые вызывают целый ряд опасных заболеваний, в частности, язвенную болезнь и рак желудка. Метод базируется на точечно-контактном сенсорном анализе газа, который выдыхается человеком. Благодаря простоте и низкой стоимости разработанного на его основе устройства метод может быть применен для скринингового мониторинга широких слоев населения даже в странах с низким уровнем доходов. Это дает возможность решения одной из приоритетных задач Мировой Организации Здоровья – предупреждения развития болезней на ранних стадиях инфицирования отмеченными штаммами.

 

 

 

Ключевые публикации группы

 

G.V. Kamarchuk, A.P. Pospelov, L.V. Kamarchuk, and I.G. Kushch, Point-contact sensors and their medical applications for breath analysis: a review, Nanobiophysics: Fundamentals and Applications, ed. by V. A. Karachevtsev, chapter 11, 327-379 (Pan Stanford Publishing Pte. Ltd.) 417 pp. (2015).

ISBN 978-981-4613-96-5 (Hardcover), 978-981-4613-97-2 (eBook); www.panstanford.com.

 

I. Kushch, N. Korenev, L. Kamarchuk, A. Pospelov, A. Kravchenko, L. Bajenov, M. Kabulov, A. Amann, G. Kamarchuk. On the importance of developing а new generation of breath tests for Helicobacter pylori detection. J. Breath Res. 9 (4), 047111 (14 pp)  (2015).

DOI: 10.1088/1752-7155/9/4/047111.

 

A.P. Pospelov, A.I. Pilipenko, G.V. Kamarchuk, V.V. Fisun, I.K. Yanson, and E.Faulques. A new method for controlling the quantized growth of dendritic nanoscale point contacts via switchover and shell effects. J. Phys. Chem. C, 119(1), pp. 632–639 (2015).

DOI: 10.1021/jp506649u.

 

Г.В. Камарчук, А.П. Поспелов, А.В. Савицкий, Л.В. Коваль. Нелинейные циклические транспортные явления в медных точечных контактах. ФНТ, 40, № 10, c. 1198–1205 (2014) [Low Temp. Phys. 40(10), 937-942 (2014)].

DOI: 10.1063/1.4898792.

 

G.V. Kamarchuk, A.P. Pospelov, I.G. Kushch. Sensors for Exhaled Gas Analysis: an Analytical Review. In: “Volatile Biomarkers: Non-Invasive Diagnosis in Physiology and Medicine”. Ed. by A. Amann and D. Smith. (Elsevier, Amsterdam, 2013) Chapter 15, 265-300.

 

O. Pyshkin, G. Kamarchuk, A. Yeremenko, A. Kravchenko, А. Pospelov, Yu. Alexandrov and E. Faulques. Evidence for sensory effects of а 1D organic conductor under gas exposure. J. Breath Res. 5(1) 016005 (9 pp) (2011).

DOI: 10.1088/1752-7155/5/1/016005.

 

I.G. Kushch, N.M. Korenev, L.V. Kamarchuk, A.P. Pospelov, Y.L. Alexandrov, and G.V. Kamarchuk, Sensors for breath analysis. an advanced approach to express diagnostics and monitoring of human diseases Biodefence, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology, ed. S. Mikhalovsky and A. Khajibaev (Springer Science+Business Media B. V., 2011) chapter 7, 63-75.

 

G.V. Kamarchuk, I.G. Kolobov, A.V. Khotkevich, I.K. Yanson, A.P. Pospelov, I.A. Levitsky, and W.B. Euler. New chemical sensors based on point heterocontact between single wall carbon nanotubes and gold wires. Sensors and Actuators B, 134, 1022-1026 (2008).

DOI: 10.1016/j.snb.2008.07.012.

 

В.В. Фисун, А.В. Хоткевич, С.В. Морлок, Б.Л. Конопацкий, Ю.Л. Александров, Г.В. Камарчук. Новый метод получения точечных контактов. ФНТ 34, № 2,  208-211 (2008) [Low Temp. Phys. 34(2), 161 (2008)].

DOI: 10.1063/1.2834263.

 

G.V. Kamarchuk, O.P. Pospelov, A.V. Yeremenko, E. Faulques, I.K. Yanson. Point-contact sensors: new prospects for а nanoscale sensitive technique. Europhys. Lett., 76(4), 575-581 (2006).

DOI: 10.1209/epl/i2006-10303-6.

 

Контакты

 

просп. Науки, 47, Харьков, 61103, Украина

 

тел.: +380(57)341-0918

 

факс: +380(57)340-3370

Обновление от 30.10.2017

СМИ о нас

Дизайн: Антон Климкин