A spektroszkópiai ellipszometria, mint roncsolásmentes optikai mérési módszer –ahogyan azt a jelen fejezet bemutatja– alkalmas összetett szerkezetűflagelláris filamentum fehérjerétegek nagyérzékenységűminősítésére akár összetett, a hullámvezetőszenzorikában is használatos multiréteg szerkezeteken is. A megfelelőoptikai modell megkonstruálásával folyadékcellában történőleválasztás közben meghatározható a felületen épülőréteg tömegsűrűségének időbeli változása, sőt a modell tökéletesítésével megmérhetőe paraméter mélységbeli eloszlása is.
Kiderül az is, hogy az így kapott információ alapján becslés adható a flagelláris filamentum vékonyrétegek várható háromdimenziós szerkezetére.
Ahogy azt az „5. 1. 5. Flagelláris filamentumok” címűfejezetben már tárgyaltuk, a flagelláris filamentumokat alkotó flagellin alegységek külsőrégiója a filamentáris szerkezet károsítása nélkül módosítható. E régiók fehérjeszerkezetét mesterségesen megváltoztatva a filamentumok alkalmassá tehetők célmolekulák specifikus megkötésére. Mivel ezek mindegyikét több tízezer flagellin alegység alkotja, rendkívüli felületi felismerőelem sűrűséget érhetünk el úgy, ha e fehérjéket a megfelelőimmobilizációs technikával a választott jelátalakító érzékelő-felületéhez rögzítjük. A flagelláris filamentumok alkotta réteg ugyanis nem kétdimenziós jellegű, hanem a vizsgált oldatba több száz nanométer mélyen benyúló, filamentumokkal sűrűn kitöltött statisztikus elrendeződésű, háromdimenziós rendszer (ld.
később). E tulajdonság adja a flagelláris filamentumokkal érzékenyített felületek egyik előnyét a kétdimenziós rétegekkel szemben, hiszen a vizsgált oldat e háromdimenziós szerkezetet térfogatában járhatja át. Hullámvezetőalapú érzékelők ígéretes jelátalakítói az ilyen rendszereknek, tekintve, hogy érzékenységük kiváló, s a felületi réteget vizsgáló evaneszcens mező(ld.: „13. 5. Hullámvezetés izotróp közegben”) karakterisztikus vastagága tág határok között (~ 100 nm-től ~ 1000 nm-ig) hangolható [57, 60], így a filamentáris rétegnek megfelelően optimalizálható. A flagelláris filamentumok előnyös tulajdonsága továbbá, hogy gyorsan és költséghatékony módon termeltethetőek baktériumokkal, melyekről azután a sejtek feltárása nélkül leválaszthatóak. Elkülönítésükhöz nem szükségesek olyan bonyolult tisztítási és szűrési folyamatok, melyek például az antitest felismerőelemek előállítását jellemzik. Fontos előnyös tulajdonságuk – például a mikrotubulus vagy más biopolimer rendszerekkel szemben – a rendkívüli kémiai stabilitásuk. Ennek „évmilliárdos
oka”, hogy a baktériumok olyan ostorokat, azaz flagellumokat fejlesztettek ki, melyek ellenállnak az őket körülvevőkörnyezet szélsőséges viszonyainak is.
Megbízható, gyakorlatban jól használható bioszenzorok előállításának egyik fontos kritériuma, hogy ellenőrzött módon, jó minőségűfelismerőelem vékonyrétegeket hozzunk létre a jelátalakító érzékelőfelületén. Egyedi, ismeretlen minőségűrétegek ugyanis, csak kvalitatív mérésekre alkalmasak, mennyiségi meghatározásra biztosan használhatatlanok.
Kiváltképp így van ez az egyszer használatos érzékelőrétegek esetén. Ott ugyanis még az a lehetőségünk sincsen meg, hogy kalibráljuk ezeket. Rendkívül fontos tehát, egy olyan eljárást kifejlesztenünk, mely minősíteni tudja az előállított rétegeket. Amennyiben e feladat ellátására sikerülne egy alkalmas módszert kidolgoznunk, segítségével nem csupán a fehérjeréteg érzékelőfelületre való leválasztásának (immobilizációjának) eredményéről mondhatnánk objektív véleményt, hanem mint visszacsatolásnak a felület kémia paramétereinek optimális beállításában is pótolhatatlan szerepe lenne.
6. 1. Ex situ felületanalízis
Flagelláris filamentum alapú biológiai érzékelőrétegek fejlesztése során az egyik legfontosabb kérdés az, hogy a fehérjeszálak –az immobilizációt követően– milyen felületi tömegsűrűség mellett helyezkednek el az érzékelőfelületen. Ennek megválaszolására alkalmasak lehetnek olyan lokális méréstechnikák, mint például az atomerőmikroszkópia (ang. atomic force microscopy - AFM) és a pásztázó elektron mikroszkópia (ang. scanning electron microscopy -SEM) is. Járható útnak tűnik az a lehetőség, hogy az 6.1.-1. ábrához hasonló SEM illetve
a.) b.)
6.1.-1. ábra: A flagelláris filamentumokkal beborított felületről készült a.) AFM és b.) SEM felvétel. (Az AFM képeket Dr. Osváth Zoltán, a SEM képeket Dr. Tóth Attila készítette.)
AFM felvételeket képfeldolgozó eljárás alá vessük. Ez esetben a nehézséget nem csupán a képfeldolgozás jelentené, hanem az is, hogy az anyagmennyiség kvantitatív, makroszkopikus felületméretre érvényes meghatározása e mikro-képek alapján problémás. Hátrányuk továbbá, hogy mindkét eljárás rendkívül idő- és költségigényes, illetve, hogy az ex situ vizsgálatokra történőelőkészítés, s maga a mérés is károsítja a mintákat. Önállóan tehát semmiképp sem alkalmasak a fentiekben megfogalmazott feladat rutinszerűellátására.
Optikai módszerek alkalmazásával a flagelláris filamentumok alkotta rétegek minősége gyorsan, egyszerűen, rutinszerűen, nagymennyiségűminta esetén is, akár az érzékelőfelületre való immobilizáció közben is, nagy érzékenységgel mérhetőanélkül, hogy azok bármiféle károsodást szenvednének. A spektroszkópiai ellipszometria olyan nagyérzékenységű polarizációs optikai módszer, amely széles hullámhossztartományban globális információt nyújt a felismerőelem vékonyréteg szerkezeti paramétereiről: vastagságáról, sűrűségéről és akár mélységbeli és laterális homogenitásáról is. Ezen integrális méréstechnika alkalmazásával megfelelőfelületanalízist remélünk megvalósítani, mely kulcsa lehet az érzékelők fejlesztésének és megbízható, reproduktív gyártásának.
6. 1. 1. Mintakészítés
Immobilizáció
A hordozóra porlasztott Ta2O5film réteget kénsavas fürdőben megtisztítjuk, majd a 2,5 %-os 3-aminopropil-trietoxi-szilán (APTES) - ultratiszta víz oldatba mártva szilanizáljuk (6.1.1.-1.a. ábra). Ezt követően szárítósütőbe helyezve 2 órán keresztül, 120°C-on szárítjuk a mintát.
A szilanizált felszínt keresztkötővel, 2%-os glutáraldehid (GA) és 20 mM-os, 7.4-es pH-jú nátriumfoszfát puffer (PBS) oldatával kezeljük 20°C-on, ugyancsak 2 órán keresztül. Ennek során vízkilépéssel kovalens kötés jön létre az APTES nitrogénje és a GA egyik láncvégi
6.1.1.-1. ábra: A fehérje immobilizáció reakciólépései
szénatomja között (6.1.1.-1.b ábra). Ezek után a flagelláris filamentumokat (FF) PBS pufferben feloldva 0,3 mg/ml koncentrációjú oldatot készítünk. Ebben 17 órán keresztül áztatjuk a chipet. Ezalatt – a fentivel megegyezőreakcióban– a GA másik láncvége szintén kovalens kötést alakít ki a rögzíteni kívánt fehérjével (6.1.1.-1.c ábra). Az oldatból kiemelve ultratiszta vízzel leöblítjük a mintát. E vegyi folyamat után a 6.1.-2. ábrán látható vékonyréteg struktúrát kapjuk [65].
Hordozó választás
A rácscsatolt interferométerben használatos hullámvezetők hordozó rétege átlátszó dielektrikum, amorf SiO2, mely kedvezőoptikai és mechanikai tulajdonságai révén alkalmas eleme ezen egységeknek. Az ellipszometria szempontjából azonban kellemetlen választás, hiszen nem tekinthető félvégtelen közegnek. Az erre épített vékonyréteg-rendszer ellipszometriai spektruma, a hátoldali reflexió következtében, a függelék „13. 4. 1. Az ellipszometriai modellek alapjai” alfejezetében bemutatott matematikai módszert alkalmazó algoritmusokkal (csak úgy, mint az általunk használt WVASE 32 v.3.386 programmal) kiértékelhetetlen. E kellemetlenség orvosolható, ha valamilyen módon megszüntetjük a hátoldalról való fényvisszaverődést. Jelen kísérletsorozatban ezt úgy valósítottuk meg, hogy a hullámvezetőrétegszerkezetét módosítottuk: A minták egyik csoportjában az eredeti SiO2
hordozót szilícium hordozóra növesztett, ≈200 nm vastag, termikus SiO2-dal helyettesítettük, a másikban pedig csupán natív oxidréteggel rendelkezőszilícium hordozóra cseréltük. Az új hordozókra, a közönséges hullámvezetők gyártásával analóg módon, elektronsugaras porlasztással ≈200 nm vastagságú Ta2O5 hullámvezetőréteget gőzölünk. Ezt követően 3-aminopropil-trietoxi-szilán (APTES) és glutáraldehid keresztkötő(GA) segítségével a flagelláris filamentumokat (FF) a Ta2O5 film felületéhez rögzítjük. A szilanizálás
6.1.1.-2. ábra: A flagelláris filamentum felismerőelemekkel borított hullámvezetőszenzor vékonyréteg-struktúrája, és ennek szükséges módosítása a spektroszkópiai ellipszometirával történőszerkezetanalízishez.
idejét optimalizálandó, a két csoport hat-hat mintáját rendre 5, 10, 20, 30, 40, 60 perc szilanizálási időnek vetettük alá. Az eljárás a 6.1.1.-2. ábrán látható rétegszerkezetet eredményezi.
A fenti kísérlet elvégzésével a következőkérdésekre kívántunk választ kapni: Alkotható-e optikai modell e rétegszerkezet ellipszometriai elemzéséhez? Ha igen, a modellel kapott értékek, milyen viszonyban állnak az irodalmi referenciaértékekkel? Milyen érzékenyen mérhetjük e rétegek opto-geometriai paramétereit? A kapott értékekből milyen következtetéseket vonhatunk le? Hatással van-e a termikus SiO2 réteg a mérés érzékenységére? Jellemzően mennyi az a szilanizálási idő, melynél több már nem növeli a megkötött filamentumok számát?
Feladatom egy olyan optikai modell megalkotása volt, mellyel a fentiekben ismertetett vékonyréteg-rendszerről készült ellipszometriai spektrumok egyértelműen kiértékelhetők, illetve, hogy a kapott paraméter értékek megfelelőösszegzésével választ adjak az előbbi kérdésekre. Az eredmények vegyészeti értelmezése nem volt része a feladatkörömnek.
6. 1. 2. Modellalkotás és spektrum kiértékelés
A fentiekben ismertetett vékonyréteg-rendszer Sopra ES4G ellipszométerrel, 75°-os beesési szög mellett, 320 - 720 nm-es hullámhossztartományban mért spektrumainak analízisére nem csupán egyetlen optikai modellt gondolhatunk alkalmasnak. Azt, hogy ezek közül mégis melyik a legmegfelelőbb kiértékelési mód, az illesztőprogram által számított paraméterek hibáinak nagysága és az illesztés minőségét megadó MSE* (mean square error – négyzetes középhiba) értékek összehasonlításával dönthetjük el. Az előbbiből elsősorban arra következtethetünk, hogy a modellben szereplőváltozók mennyire korrelálnak. Az utóbbiak főleg a mért , spektrumokra való modellillesztés jóságát jellemzik. Mivel minden minta esetén, a gyártási folyamat – a Ta2O5réteg felületre való porlasztását követő– minden egyes
___________________________________________________________________________
* MSE (mean square error– négyzetes középhiba)
ahol N az ellipszometriai mérés során az adott hullámhosszon vett független leolvasások száma, P a modell ismeretlen paramétereinek mennyisége, meas, meas a mért, calc, calc a modellből számolt ellipszometriai szögek, meas pedig a független mérések eredmények szórása. Az 10 alatti MSE értékkel jellemezhetőillesztést szokás a szakirodalomban kiválónak nevezni.
fázisa utáni állapotról készült spektroszkópiai felvétel, a kiértékelés során lehetőségem volt lépésről-lépésre haladni. Így tehát először a {Si - termikus/natív SiO2 - Ta2O5} struktúra spektrumait elemeztem, majd a későbbieket már ezek rögzített paraméter értékeinek ismeretében vizsgáltam tovább. A már megkapott részeredményeket előre görgetve segíthető az újabbak biztosabb meghatározása. Ezzel egy sokváltozós rendszer – több független mérés bevonásával –kisebb paraméterbizonytalansággal értékelhetőki.
Érdemes a kiértékelést a {Si - natív SiO2- Ta2O5} mintákról készült spektrumokkal kezdeni.
Itt ugyanis a natív oxid réteg vastagságáról jogosan feltehetjük, hogy lényegesen kisebb, mint a Ta2O5rétegé, ezért a spektrumot a két szélsőanyag fogja meghatározni. A modell alkotás során először az irodalmi törésmutató adatokra, azaz a tömbi anyagokon végzett referenciamérésekre támaszkodtam, azonban az ezekkel történőillesztés hatalmas MSE értékre vezetett. Ez azt az elképzelést erősíti meg, hogy a gőzölés amorf Ta2O5 réteget hoz létre a hordozó felszínén, így nem illeszthetők rá az irodalmi, kristályos Ta2O5-ra vonatkozó referencia értékek. Az irodalmi Ta2O5rétegmodellt egy általános, szilárd, izotróp szigetelőkre vonatkozó Cauchy dielektromos függvénnyel* (ld.: „13. 4. 2. Fontosabb ellipszometriai rétegmodellek”) helyettesítetve az illesztések MSE értékei lezuhantak, míg az illesztett paraméterek érzékenységei nem romlottak (a paraméterillesztés hibája nem növekedett), továbbra is 0,1 - 0,5 % között maradtak. Ezek után következhettek azok a minták, melyek natív helyett termikus oxidréteget tartalmaztak. Az oxidréteg modellezésére az irodalmi SiO2
referencia értékeket használtam fel, mellyel ennek tipikus vastagságára 216,4 ± 5,9 nm-t kaptam. E mintákon mért átlagos Ta2O5 rétegvastagság és a hullámvezetőtechnikákban érdekes, He-Ne lézer fényforrások 632,8 nm-es hullámhosszán mért átlagos Ta2O5 törésmutató érték a natív oxid alapúakéval egybe esett. Ezen értékek rendre 186,2 ± 2,2 nm-nek és 2,136 ± 0,019-nm-nek adódtak. A 6.1.2.-1. ábrán egy-egy tipikus illesztés eredményét láthatjuk.
Az imént kapott paraméterek és azok hibái alapján megállapíthatjuk, hogy az elektronsugaras porlasztással történőTa2O5rétegleválasztás jól kézbentartott, megfelelően precíz eljárás, mely
___________________________________________________________________________
*A függelék 13. 4. 2. alfejezetében részletesen tárgyalt Cauchy függvény elsőhárom tagját tartjuk meg, a többit elhanyagolhatóan kicsinek tekintjük. Ezzel az egyszerűsítéssel a Cauchy dielektromos függvény a következő alakot ölti:
0 21 42
B B B
n
Az illesztendőparaméterek: B0, B1, B2
a.) b.)
6.1.2.-1. ábra: A natív (a.) és a termikus (b.) oxidrétegeket tartalmazó minták spektrumai és az illesztett optikai modell. (A szaggatott vonalak a kísérleti, a folytonosak a számított spektrumot jelölik.)
során amorf, magas törésmutatójú vékonyréteg kerül a hordozó felszínére. Mindez a hullámvezetőalapú érzékeléstechnikák szempontjából azért rendkívül fontos eredmény, mert amorf anyagban nincsenek kitüntetett irányok, melyek esetleg a módusterjedést befolyásolhatnák, illetve a magas törésmutató tágabb tartományokban való érzékelést tesz lehetővé (ld.: „7. Rácscsatolt interferométer”). Annak következményeképp pedig, hogy egy, a fényabszorpciót figyelmen kívül hagyó optikai rétegmodellel illeszthetőa mintáról készült spektrum a következőt állíthatjuk: bár amorf anyagban a direktátmenetnél lévőabszorpciós csúcs kiszélesedik, itt fotonenenergiában még mindig annyira távol vagyunk a tiltott sávtól, hogy elhanyagolható az elnyelés. Ilyen hullámvezetőrétegek alkalmazásával tehát kis veszteségűmódusterjedés valósítható meg.
A gyártási folyamatban következő, szerves anyagok esetén irodalmi referenciákra nem támaszkodhatunk, így célravezetőnek az látszott, ha ebben az esetben is Cauchy függvényt alkalmazunk a rétegek opto-geometriai paramétereinek meghatározására. Már az első illesztések után világossá vált, hogy az APTES film vastagsága oly kicsi, valamint optikailag annyira összeolvad az alatta található Ta2O5filmmel, hogy mint önálló réteg nem értékelhető. Ha ezt mégis megpróbáljuk, a modell-paraméterek bizonytalansága olyannyira megnő, hogy bármineműkövetkeztetés értelmetlenné válik. A következőmegoldást választottam tehát:
változatlannak feltételezett SiO2 vastagság mellett az előbbi, {Si - SiO2 - Ta2O5} rétegrendszerre alkalmazott modellt illesztettem a soron következő{Si - SiO2 - Ta2O5 -APTES} struktúra spektrumára is. A paraméterek hibái így rendre 1% alá kerültek, valamint az illesztés minőségét jellemzőMSE értékek szigorúan mérve is elfogadhatóak maradtak továbbra is. E modellel azonban az APTES réteg vastagságát (csak) úgy becsülhetjük, ha az
6.1.2.-I. táblázat: Natív és termikus oxidréteg alapú {Si - SiO2 - Ta2O5 - APTES}
vékonyréteg-szerkezetek spektrumának kiértékeléséből kapott átlagos APTES rétegvastagságok (dAPTES) , illetve a Cauchy réteg megváltozott törésmutató értékei.
Mintacsoport dAPTES nTa2O5 - APTES(632,8 nm) MSE
{Si - natív SiO2- Ta2O5- APTES} 0,7 ± 0,1 nm 2,122 ± 0,003 11 {Si - termikus SiO2- Ta2O5- APTES} -0,2 ± 0,2 nm 2,141 ± 0,005 26
újonnan kapott paraméterértékekből kivonjuk a régieket. A törésmutató esetében azonban csak a teljes Cauchy rétegbeli átlagos megváltozását detektálhatjuk. Mindezek alapján a 6.1.2.-I. táblázatban összefoglalt eredményekre jutottam.
Az APTES réteg vastagsága a natív oxidos minták esetén átlagosan 0,7 nm, ami egybe esik a monomolekuláris APTES film irodalmi vastagságával [66] A termikus oxidréteg alapú minták esetén azonban ez az érték negatívnak adódik. Ebből arra következtethetünk, hogy valamilyen ismeretlen oknál fogva, a szilanizálási eljárás következményeként, a termikus oxid réteg tulajdonságai megváltozhatnak, melyet az illesztés a felette lévőréteg vastagságának csökkentésével kompenzál. Dr. Hámori András – hullámvezetőchipeken végzett – OWLS mérései is megerősítették azt az állítást, miszerint a termikusan hőkezelt minták szilanizálása esetén – annak ellenére, hogy a felületen rétegépülés történik – a négyrétegűmodell módusegyenletével számolt adlayer vastagságra negatív értéket kapunk. (6.1.2.-2. ábra) E furcsa paradoxon magyarázatára vegyész kollégáim számos teóriát is megvizsgáltak, azonban a jelenség oka mindmáig megválaszolatlan maradt.
a.)
Szilanizálás idõtartama / perc SE mérések:
6.1.2.-2. ábra: Termikus oxid alapú minták esetén, az APTES rétegek vastagságára kapott értékek grafikus ábrázolása. a.) SE mérések illetve b.) OWLS mérések alapján.
A gyártási folyamat következőfázisa, mikor a mintákat GA keresztkötővel kezeljük. Ennek során ugyancsak egy optikailag nehezen elkülöníthető, monomolekuláris réteg épül a felületre, következésképpen a modell és a vele való spektrumkiértékelés menete teljesen megegyezik az előzőlépésben tárgyaltakkal. Az ide vonatkozó eredményeket a 6.1.2.-II.
táblázat foglalja össze. Láthatjuk, hogy az átlagos rétegvastagságok a natív és termikus oxidréteg alapú minták esetén ugyan nem egyeznek, de rendre pozitív értéket vesznek fel. Ez az eltérés vélelmezhetően még a fentiekben tárgyalt effektussal függhet össze. Pontos kémiai magyarázatot ez esetben sem kaptunk.
6.1.2.-II. táblázat: Natív és termikus oxidréteg alapú Si - (SiO2) - Ta2O5- APTES - GA vékonyréteg-szerkezetek spektrumának kiértékeléséből kapott átlagos GA rétegvastagságok (dGA) illetve a Cauchy réteg megváltozott törésmutató értékei.
Mintacsoport dGA nTa2O5 - APTES - GA(632,8 nm) MSE
{Si - natív SiO2- Ta2O5-APTES - GA} 0,7 ± 0,2 nm 2,120 ± 0,004 18 {Si - termikus SiO2- Ta2O5- APTES - GA} 0,2 ± 0,1 nm 2,143 ±0,008 25
Elérkeztünk a kiértékelés utolsó szakaszához, a flagelláris filamentumok rögzítése után mért spektrumok elemzéséhez. Amennyiben feltesszük, hogy a fehérjeréteg optikailag elválasztható az alatta található rétegektől, érdemes egy újabb Cauchy dielektromos függvényt beépítenünk a fentiekben alkalmazott rétegmodellbe. Amennyiben ezt nem feltételezzük, élhetünk a fentiekben már jól bevált eljárással, mikor ugyanazzal a modellel illesztve a spektrumokat az új és a régi paraméterek összehasonlításából próbálunk következtetéseket levonni. A kiértékelés során mindkét lehetőséget megvizsgáltam, s a következőkre jutottam:
A filamentumréteget külön Cauchy függvénnyel modellezve kisebb MSE és jól elkülönülő törésmutató értéket kaptunk.
A fentiek eredményeképp levonhatjuk azt az egyértelművégkövetkeztetést, miszerint ezen összetett jelátalakító - felismerőelem rétegszerkezetről készült ellipszometriai spektrumok elemzéséhez Si - SiO2 - Cauchy - Cauchy modellt érdemes használni. A 6.1.2.-3. ábrán e modellel való illesztés egy-egy jellemzőeredményét láthatjuk. Az illesztések tipikus hibáját és a modell paraméterek jellemzőbizonytalanságát elemezve arra jutottam, hogy az ellipszometriai mérések a natív oxidos minták esetén érzékenyebbek.
a.) b.)
6.1.2.-3. ábra: A {Si - SiO2- Ta2O5- APTES - GA - FF} vékonyréteg-struktúrák esetén a legjobb optikai modellnek a Si - SiO2 - Cauchy - Cauchy rétegmodell-szerkezet bizonyult.
Az ezzel történőillesztés egy jellemzőeredményét figyelhetjük meg az ábrákon a.) natív oxid alapú és b.) termikus oxid alapú minták esetére.
A szilanizálási idő, mint fontos technológiai paraméter hatását is vizsgálhatjuk, amennyiben a kapott rétegvastagságokat a kezelés idejének függvényében ábrázoljuk. (6.1.2.-4. ábra) Láthatjuk, hogy egy-egy pont kivételével a rétegvastagságok jó közelítéssel azonosak, tehát nem függnek a szilanizálás időtartamától. Mivel a két sorozatot összevetve a két kiugró pont helyzete nem mutat semmiféle tendenciát, mintakészítési hibának tekinthetjük ezeket. Ezeket elhagyva elmondható, hogy az immobilizációs eljárás során készített érzékelőrétegek – legalábbis azonos típusú hordozók esetén – jól reprodukálhatók, a rétegépítés vastagság-bizonytalansága 3% alatt van. Az egyedi vastagság és törésmutató értékek az 6.1.2.-III.
táblázatban látható átlagokra vezetnek.
0 10 20 30 40 50
8 10 12 14 16 18
FFrétegvastagsága/nm
A szilanizálás idõtartama (perc) Si - SiO2- Ta2O5- APTES - GA - FF Si - Ta2O5- APTES - GA - FF
6.1.2.-4. ábra: FF rétegvastagságok a szilanizálási időfüggvényében. Egy-egy kiszóró pont kivételével a vastagságok érzéketlenek a szilanizálás időtartamára.
6.1.2.-III. táblázat: A 6.1.2.-4. ábrán látható két kiugró pontot elhagyva, a FF rétegek átlagos paraméterei láthatók a lenti táblázatban.
Mintacsoport dFF nFF(632,8 nm) MSE
{Si - natív SiO2- Ta2O5- APTES - GA - FF} 14,2 ± 0,4 nm 1,411 ± 0,022 6 {Si - termikus SiO2- Ta2O5- APTES - GA - FF} 10,5 ± 0,2 nm 1,526 ± 0,013 42
A natív oxidréteg alapú minták esetében vastagabb, de kisebb törésmutatójú fehérjeréteg épül a minta felületére, mint a termikusak esetén. Mivel a törésmutató a réteg tömörségével arányos mennyiség, elmondhatjuk, hogy natív oxidos minták esetén ritkább közeget kaptunk.
Ennek kémiai magyarázatát még nem sikerült megtalálnunk, azonban feltételezhetjük, hogy ez is visszavezethetőa szilanizálás során bekövetkezőoptikai tulajdonság-változásra. A felületre levált anyag mennyisége arányos rétegvastagságának és törésmutatójának szorzatával [67]. Bár az arányossági tényezőesetünkben nem ismert, a két mintacsoportra jellemzőszorzatok hányadosából meghatározható az anyagmennyiségek aránya, melyre nagyon jó közelítéssel 1-et kapunk. Ennek tükrében kijelenthetjük, hogy a felületre leválasztott anyag mennyisége azonos a kétféle hordozó esetén.
Megjegyzendő, hogy Dr. Kurunczi Sándor vizsgálatai arra engedtek következtetni, hogy a filamentumok valóban kovalens kötéssel rögzülnek a felülethez. Ezt úgy sikerült bizonyítania, hogy a kész chipek felszínét detergenses, 0,1 M HCl, illetve 8 M urea oldattal való kezelést követően ellipszométerrel visszamérve, jelentős változást nem tudott kimutatni a fehérjeréteg vastagságában.
6. 2. In situ felületanalízis
Az előzőalfejezetben megmutattam, hogy a spektroszkópai ellipszométerrel mért spektrumok a kifejlesztett optikai modellel kiértékelve választ adhatnak számos, a felismerőelem vékonyréteg minőségére vonatkozó kérdésre. Az eddigiek nem hangsúlyozott egyik hiányossága azonban az volt, hogy a fehérjeréteget csupán a leválasztás végeztével, ex situ volt módunk minősíteni. A leválasztás közbeni ellenőrzés azonban lehetőséget adna a fehérje oldatbeli vizsgálatára. Valós idejűmérésekkel pedig tanulmányozhatnánk a rétegépülés kinetikáját, valamint a kívánt felületi tömegsűrűséget elérve azonnal megszakíthatnánk az immobilizációt. Ezzel jelentékeny mértékben csökkenthetnénk a selejtek számát, javíthatnánk az ismételhetőséget és így a megbízhatóságot is. A Sopra ES4G készülék ≈20 perces spektrum mintavételezési ideje azonban nem teszi lehetővé az ilyen jellegűvizsgálatokat.
A 2009-es év legelején az MFA Fotonika osztályán üzembe helyezték az akkor kereskedelmi forgalomban elérhető, legkorszerűbb spektroszkópiai ellipszométer típusok egyikét, a Woollam cég M2000DI típusú forgó kompenzátoros műszerét [68], mely számos tekintetben felülmúlja az addig használt Sopra ES4G készüléket. Ezek közül csak néhányat említve: A fejlesztőmérnökök az eszköz fényforrás és detektor fejeit automatikus goniométerre rögzítették, így 40°-90°-os beesési szögtartományban az ellipszométer átszerelése nélkül, gyorsan és könnyedén mérhetünk. Automatikus kollimátora segítségével a mintapozicionálás pillanatok műve. Kombinált fényforrása révén sokkal szélesebb, 190 nm - 1700 nm-es hullámhossztartományban vehetünk fel ellipszometriai spektrumokat. A legfontosabbak azonban, hogy nagy mintavételezési sebességének (≈2 másodperc) köszönhetően akár valós
A 2009-es év legelején az MFA Fotonika osztályán üzembe helyezték az akkor kereskedelmi forgalomban elérhető, legkorszerűbb spektroszkópiai ellipszométer típusok egyikét, a Woollam cég M2000DI típusú forgó kompenzátoros műszerét [68], mely számos tekintetben felülmúlja az addig használt Sopra ES4G készüléket. Ezek közül csak néhányat említve: A fejlesztőmérnökök az eszköz fényforrás és detektor fejeit automatikus goniométerre rögzítették, így 40°-90°-os beesési szögtartományban az ellipszométer átszerelése nélkül, gyorsan és könnyedén mérhetünk. Automatikus kollimátora segítségével a mintapozicionálás pillanatok műve. Kombinált fényforrása révén sokkal szélesebb, 190 nm - 1700 nm-es hullámhossztartományban vehetünk fel ellipszometriai spektrumokat. A legfontosabbak azonban, hogy nagy mintavételezési sebességének (≈2 másodperc) köszönhetően akár valós