Відділ спектроскопії молекулярних систем і наноструктурних матеріалів

Eng

Rus

Ukr

Група дослідження сенсорних властивостей матеріалів

Склад групи

зав. відділу Камарчук Г. В.

с.н.с. Бєлан В. І.

м.н.с. Гудименко В. О.

м.н.с. Савицький А. В.

інженер Герус А. О.

аспірант Гарбуз Д. О.

аспірант Клімкін А. С.

 

Основні напрямки досліджень

 

- Дослідження сенсорних властивостей точково-контактних наноструктур.

- Дослідження спектральних явищ в наноструктурних матеріалах.

- Дослідження нелінійних струмових явищ в системах пониженої розмірності.

- Аналіз газу, що видихається людиною.

- Розробка нових методів створення нанорозмірних зразків і матеріалів.

- Дослідження електростимульованих циклічних ефектів.

- Розробка нових методів неінвазивної медичної діагностики стану організму людини.

 

Основні методи досліджень

 

Мікроконтактна спектроскопія Янсона, точково-контактний метод аналізу газових та рідких середовищ, метод функціонального моделювання низькорозмірних металічних структур (концепція протяжного елемента).

 

Обладнання

 

Дослідницький комплекс на основі п’ятиканального мікроконтактного спектрометра.

Портативна апаратура для детектування складних газових середовищ за допомогою точково-контактних сенсорів.

 

Поточні дослідження

 

 

 

Нелінійні струмові стани точкових контактів в газових середовищах

В рамках цієї теми вивчаються об'єкти і явища, які можуть бути досліджені з використанням фундаментальних принципів і технологічних підходів мікроконтактної спектроскопії Янсона стосовно мікроконтактного газочутливого ефекту. Перспективність цього наукового напрямку обумовлена тим, що на основі мікроконтактного газочутливого ефекту співробітниками відділу з співавторами вже створені надчутливі точково-контактні наносенсори, характеристики яких перевершують параметри всіх відомих зараз аналогів. Нелінійні струмові стани в електропровідності точково-контактних сенсорів є ключем до розуміння природи мікроконтактного газочутливого ефекту, що відкриває необмежені можливості для розробки наносенсорів нового типу  і створення передових сенсорних технологій на їх основі. Провідні виконавці – В.О. Гудименко, А.С. Клімкин.

 

Перше спостереження зміни електропровідності точкового контакта під дією газових середовищ, яке призвело до відкриття мікроконтактного газочутливого ефекта. [Europhys. Lett., 76(4), 575-581, 2006].

Квантова сенсорика для детектування в газах і рідких середовищах

Новий напрямок в сенсориці, запропонований співробітниками відділу, базується на вивченні енергії взаємодії точково-контактної структури з газом або рідким середовищем за допомогою визначення параметрів квантованої електропровідності точкових контактів. Завдяки квантовій природі своїх електричних властивостей точкові контакти здатні реєструвати надмалі зміни поверхневих станів каналу провідністі точкового контакту, які викликані адсорбцією зовнішнього агента. Процедура реєстрації може виконуватися з максимально можливою роздільною здатністю в один квант провідності, що відповідає додаванню одного атома досліджуваної речовини до точково-контактного каналу. В результаті, точково-контактні сенсори володіють надвисокою чутливістю, яка відповідає межі чутливості сенсорних приладів. Квантовий підхід надає широкі можливості для розробки необмеженого спектру нових методів, приладів і технологій, оскільки знання енергетичних параметрів будь-якої фізичної системи є ключовим чинником для визначення та прогнозу її властивостей. Енергетичні параметри відгуку точково-контактних сенсорів дозволяють не лише відрізняти матеріали один від одного, але й аналізувати складні газові суміші за допомогою реєстрації їх профілю без визначення окремих компонентів газового середовища. Провідні виконавці – А.В. Савицький, А.О. Герус.

 

 

 

Новий циклічний ефект, що супроводжується формуванням квантових дендритних точкових контактів. [J. Phys. Chem. C, 119(1), pp. 632–639, 2015].

Структурні і електрофізичні властивості точково-контактних сенсорних мультиструктур

Важливість дослідження точково-контактних сенсорних мультиструктур обумовлена нúзкою їх унікальних властивостей, серед яких складний відгук спектрального типу, який точкові контакти генерують під дією багатокомпонентних газових середовищ. До відкриття, зробленого співробітниками групи із співавторами, такий характер  сигналу відгуку був невідомий для інших сенсорних пристроїв, які працюють на принципі зміни електричної провідності. Це пов'язано з тим, що точкові контакти є наноструктурними об'єктами квантової природи. Завдяки цьому вони здатні реєструвати тонкі структурні та енергетичні зміни, обумовлені адсорбцією зовнішніх агентів. При цьому часові характеристики сигналу відгуку містять в собі інформацію про рівні енергій адсорбції інгредієнтів газу, яку фіксує точково-контактний сенсорний прилад. Внаслідок впливу складної газової суміші часова залежність електропровідності точкових контактів має вигляд точково-контактного спектру, який отримують в мікроконтактній спектроскопії Янсона. Така особливість точково-контактних сенсорів дозволяє проводити аналіз складних газових сумішей шляхом реєстрації профілю газового середовища без визначення її окремих компонентів. Це забезпечує реалізацію нового методу для аналізу складної молекулярної системи за допомогою точково-контактних сенсорних пристроїв. Такий підхід не має аналогів в сенсорній техніці. Ефективність запропонованого методу була продемонстрована співробітниками відділу із співавторами на прикладі аналізу газу, що видихається людиною. Використовуючи те, що це складне біологічне газове середовище містить продукти метаболізму бактерій, які інфікують організм людини, ми вперше показали можливість детектування канцерогенних штамів бактерії Helicobacter pylori в режимі реального часу. Результати цього інноваційного дослідження опубліковані в провідному професійному виданні Journal of Breath Research (грудень 2015) і в квітні 2016 р. були представлені на сайті  Національної академії наук України (НАНУ) як одне з видатних досягнень науковців НАНУ. Важливість відкриття, зробленого співробітниками відділу із співавторами, полягає в тому, що на даний момент жоден з існуючих методів визначення бактерії Helicobacter pylori не може претендувати на роль скринінгового методу діагностики із-за досить високої вартості досліджень. Більш того, жоден з відомих методів не здатний визначати канцерогенні штами бактерії в режимі реального часу. Застосування точково-контактного сенсорного аналізу газу, що видихається людиною, вперше створює реальну перспективу розробки нового покоління дихальних тестів, які завдяки своїй простоті і доступності можуть бути використані для скринінгового моніторингу широких верств населення. Це забезпечить умови своєчасного виявлення канцерогенних штамів бактерії Helicobacter pylori і попередження розвитку виразкової хвороби і раку шлунку на ранній стадії інфікування навіть в країнах з низьким рівнем життя. Провідні виконавці – В.О. Гудименко, Д.А. Гарбуз, В.І. Бєлан.

 

Точково-контактний сенсорний дихальний тест, що забезпечує детектування канцерогенних штамів бактерії Helicobacter pylori в режимі реального часу. [J. Breath Res. 9(4), 047111 (14 pp) 2015].

Бактерія Helicobacter pylori на слизовій оболонці шлунка.

Ключові результати

 

Відкрито мікроконтактний газочутливий ефект. Суть цього явища полягає в тому, що електричний опір мікроконтакту (точкового контакту) змінюється під впливом малих (порядку одиниць ppm і менше) концентрацій газів  з донорними, або акцепторними властивостями стосовно матеріалу контакту з послідуючою швидкою релаксацією мікроконтакту до рівноважного стану після припинення дії зовнішнього агента. Запропоновано новий напрямок в мікроконтактній спектроскопії Янсона та фізиці твердого тіла, який пов’язаний з застосуванням точкових контактів для аналізу газових середовищ. Ефективність нового методу продемонстровано шляхом створення надчутливих точково-контактних сенсорів нового типу, які значно перевершують за своїми характеристиками існуючі світові аналоги.

Відкрито ефект газової чутливості точкових гетероконтактів. Показано, що гетероконтакти між електродами з золота та одностінних вуглецевих нанотрубок змінюють свій електричний опір при мінімальному впливі газового середовища. Після припинення дії газу спостерігається повне відновлення рівноважних параметрів досліджуваних зразків. Виявлений ефект є основою для створення надчутливих наносенсорів нового типу, які за своїми параметрами  перевершують існуючі в світі аналоги.

Виявлено гігантський ефект газової чутливості органічних провідників на основі TCNQ, який полягає в тому, що електропровідність даних сполук збільшується на 2-3 порядки при дії на них газу, що видихається людиною.

Вперше розроблено мезоскопічну мікроконтактну мультиструктуру на основі сполук органічного провідника TCNQ. Створено зразки газочутливих сенсорів на основі мезоскопічної мультиструктури точкових контактів. Виявлено, що сенсори нового типу демонструють відтворюваний інтегральний відгук електричної провідності на дію видихуваного людиною газу та забезпечують отримання істотно більшої інформації у порівнянні із стандартними хімічними сенсорами. Це дозволило запропонувати абсолютно новий підхід до сенсорного аналізу видихуваного газу та відкрити важливі кореляції між параметрами кривої відгуку та станом організму людини.

В процесі створення точково-контактних наноструктур дендритного типу відкрито новий циклічний електрохімічний ефект, в результаті якого опір мікроконтактної структури може змінюватись в часі, проходячи при цьому стадії зростання, зменшення та стабілізації. Даний ефект обумовлено періодичними нанорозмірними перетвореннями структури зразка, що забезпечує тонкий управляючий вплив на параметри точкових контактів, що створюються. Циклічні варіації провідності під час електрохімічного синтезу дендритних точкових контактів забезпечують можливість створення наноструктур з заздалегідь заданою атомно-роздільною здатністю.

Вперше запропоновано та реалізовано оригінальний метод прецизійного визначення енергії, необхідної для виникнення електрохімічної реакції. Метод базується на використанні в новій якості наноструктурних точкових контактів, що при зануренні в рідке середовище перетворюються на невідомий раніше тип електрохімічної електродної системи – протяжний наноструктурний електрохімічний елемент. Він дозволяє визначати енергії початку електрохімічних реакцій на атомарному рівні і може стати основою для розробки новітніх сенсорних технологій селективного визначення компонентів складних молекулярних систем в рідкому та газоподібному станах.

Встановлено неуреазну природу відгуку точково-контактних сенсорів на дію газової суміші, що видихається пацієнтами, інфікованими бактерією Helicobacter pylori, яка є головним етіологічним чинником виникнення виразкової хвороби та раку шлунка людини. Запропоновано концептуально новий підхід до неінвазивної діагностики бактерії Helicobacter pylori шляхом сенсорного аналізу видихуваного газу за неуреазними продуктами її метаболізму.

Вперше запропоновано оригінальний неінвазивний метод швидкого виявлення канцерогенних штамів бактерії Helicobacter pylori, що спричиняють цілу низку небезпечних захворювань, зокрема, виразкову хворобу та рак шлунка. Метод базується на точково-контактному сенсорному аналізі газу, який видихає людина. Завдяки простоті та низькій вартості розробленого на його основі пристрою метод може бути застосований для скринінгового моніторингу широких верств населення навіть у країнах з низьким рівнем життя. Це дає можливість вирішення однієї з пріоритетних задач Світової Організації Здоров’я – попередження розвитку хвороб на ранніх стадіях інфікування зазначеними штамами.

 

 

 

 

Важливі публікації групи

 

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.