Научное приборостроение, 2022, том 32, № 4

ISSN 0868–5886                                          НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2022, том 32, № 4, c. 3–10 
 

 ФИЗИКА  И  ХИМИЯ  ПРИБОРОСТРОЕНИЯ 

3 

 
УДК 532.614 
 
 В. Е. Курочкин, С. В. Мякин, Н. А. Бубис, Л. М. Кузнецов, А. Ю. Шмыков, 2022 
 

РЕГУЛИРОВАНИЕ  ГИДРОФИЛЬНО-ГИДРОФОБНЫХ  СВОЙСТВ  

ПОВЕРХНОСТИ  КРЕМНИЕВЫХ  ПЛАСТИН  

 

Продемонстрирована возможность регулирования гидрофильно-гидрофобных свойств поверхности крем-
ниевых пластин в широких пределах посредством обработки плавиковой кислотой, кислотой Каро и раство-
рами пероксида водорода различной концентрации. Методом измерения краевых углов смачивания и расче-
та полной, полярной и дисперсионной составляющих поверхностной энергии установлено, что наибольшая 
гидрофилизация поверхности и увеличение поверхностной энергии кремния достигается при обработке его 
поверхности кислотой Каро, в то время как при последовательной обработке кислотой Каро и плавиковой 
кислотой наблюдается максимальная гидрофобизация и снижение поверхностной энергии.  
 
 
Кл. сл.: кремний, поверхностная энергия, гидрофильность, кислота Каро, плавиковая кислота, пероксид  
водорода 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Кремниевые пластины находят широкое при-

менение в качестве подложек и полуфабрикатов  
в различных электронных приборах, микросхемах, 
фотогальванических элементах и других устрой-
ствах. В частности, одной из важных областей их 
применения 
являются 
микрофлюидные 
чипы 

(МФЧ) [1, 2], широко используемые в электро-
хроматографическом 
и 
электрофоретическом 

разделении, а также в ряде биомедицинских 
применений, 
включая 
полимеразные 
цепные 

реакции (ПЦР) и секвенирование ДНК. Несмотря 
на  то, что современные технологии позволяют 
получать кремниевые пластины со стандартными 
и воспроизводимыми физическими характери-
стиками (тип проводимости, удельное сопро-
тивление, 
кристаллографическая 
ориентация, 

геометрические 
параметры, 
в 
том 
числе 

шероховатость поверхности), во многих случаях 
для 
обеспечения 
требуемой 
совместимости  

с функциональными слоями необходимо обес-
печение определенного состояния поверхности не 
только 
в 
отношении 
геометрических 
харак-

теристик, но и в отношении функционального 
состава и гидрофильно-гидрофобных свойств  [3, 
4].  Так, для применения в составе МФЧ подложки 
должны обладать стабильными гидрофильными 
свойствами, что необходимо для последующего 
нанесения 
функциональных 
слоев, 
обеспечивающих 
взаимодействие с анализируемыми 
веществами (ДНК, РНК и др.).  

Для 
регулирования 
функционально-химического 
состава поверхности применяют разнообразные 
методы химического (щелочного и щелоч-
но-кислотного) травления [5–9], а также физические 
методы (в частности, электронно-лучевую 
обработку [10] и т.д.), однако такие материалы, 
как кремний, являются устойчивыми к воздействию 
большинства кислот и щелочей, что часто не 
позволяет добиться стабильного и воспроизводимого 
модифицирования поверхности и приводит 
лишь к неравномерному травлению и нестабильному 
изменению состава поверхностных функциональных 
групп. Более эффективным способом 
является использование плавиковой кислоты, в 
том числе в сочетании с азотной кислотой (смесь 
HF/HNO3), обеспечивающей глубокое равномерное 
травление, и кислоты Каро (смесь серной кислоты 
и пероксида водорода), эффективно удаляющей 
поверхностные примеси [11, 12].  

В [13] нами была показана возможность 

управления гидрофильно-гидрофобными характеристиками 
поверхности применяемого для изготовления 
МФЧ боросиликатного стекла посредством 
обработки  поверхности боросиликатного 
стекла плавиковой кислотой и кислотой 
Каро, а также раствором пероксида водорода Н2О2, 
эффективно модифицирующими функциональный 
состав поверхности.  

В данной работе указанный подход был 

применен в отношении подложек из кремния  
с целью выявления особенностей взаимодействия 
используемых реагентов с поверхностью данного 
материала и возможности регулирования ее 
гидрофильно-гидрофобных свойств.     

 
 

В. Е. КУРОЧКИН, С. В. МЯКИН, Н. А. БУБИС, Л. М. КУЗНЕЦОВ, А. Ю. ШМЫКОВ 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2022, том 32, № 4 

4

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 

Исследуемые материалы 

Объектами исследования в настоящей работе 

являлись пластины монокристаллического кремния 

марки 
ЭКЭС-0,01-5 
(ГОСТ 
19658–81),  

из 
которых 
для 
проведения 
исследований 

изготавливали образцы размером 10  10 мм. 

Реактивы 

 Для обработки и модифицирования поверхности 
исследуемых образцов использовали ацетон 
(чда, 
ГОСТ 
2603-79, 
ООО 
"Нева-Реактив"), 

изопропанол (хч, ТУ 2632-181-44493179, АО 
"ЭКОС-1"), 
плавиковую 
кислоту 
(46–49%-й 

раствор, осч, ТУ 2612-007-56853252-2010, ООО 
"Нева-Реактив"), 
серную 
кислоту 
(95.6%-й 

раствор, хч, ГОСТ 4204-77, ООО "Нева-Реактив"), 
пероксид водорода (37%-й раствор, хч, ГОСТ 177-
88, ООО "Нева-Реактив").  

Методы подготовки и обработки образцов 

Подготовка образцов к модифицированию 

В соответствии с методикой, разработанной  

в [13], перед модифицированием все образцы 
обезжиривали погружением в ацетон на 8 мин, 
после чего промывали дистиллированной водой; 
погружали в изопропанол на 5 мин и снова промывали 
дистиллированной водой. 

Затем перед последующим травлением образцы 

промывали дистиллированной водой и сушили 
при температуре 80 С в течение 3 ч.  

Модифицирование поверхности образцов 

Модифицирование осуществляли с использованием 
следующих реагентов: 

– кислоты Каро, приготовленной смешением 

исходных растворов перекиси водорода (37%)  
и серной кислоты (98%) в соотношении 1 : 2 (об.); 

– 25% (об.) раствора плавиковой кислоты HF, 

полученного соответствующим разбавлением исходной 
концентрированной кислоты; 

– растворов пероксида водорода H2O2 с концентрацией 
37% (исходный раствор), а также 7.4%  
и 3.7%, получаемых разбавлением исходного рас-
твора соответственно в 5 и 10 раз.    

По 15 образцов исследуемых пластин подвер-

гали обработке в следующих условиях: 

– погружением в раствор HF на 5 мин; 
– погружением в кислоту Каро на 5 мин с по-

следующей промывкой водой и погружением  
в раствор HF на 5 мин; 

– погружением в растворы пероксида водорода 

указанных концентраций.  

Все эксперименты проводились в стандартных 

чашках Петри. 

Измерение краевых углов смачивания  
и определение поверхностной энергии 

Для измерения краевых углов θ смачивания 

водой и глицерином поверхности исследуемых 
образцов применяли гониометрический метод 
фотографической регистрации изображения ле-
жащей на поверхности капли, реализованный  
с помощью лабораторной установки, аналогичной 
прибору DSA14 ("Kruss", Germany), в соответ-
ствии с методикой, описанной в [14] и успешно 
апробированной в [15, 16]. Измерения проводили 
на обеих сторонах образцов для 8–10 капель  
на каждой стороне пластины; усредненные краевые 
углы смачивания определяли с погрешностью ±1.  

Полярную (σp) и дисперсионную (σd) состав-

ляющие поверхностной энергии исследуемых 
материалов определяли, решая систему уравнений 
[10]: 




 






1 2
1 2
1 2
1 2
в
в

p
вp
d
вd

cos
1
,
2










 




 






1 2
1 2
1 2
1 2
r
r

p
rp
d
rd

cos
1
,
2










 

где σв, σвp и σвd — полное поверхностное 
натяжение воды и его полярная и дисперсионная 
составляющие 
(соответственно 
47.8, 
25.0  

и 72.8 мДж/м2), а σг, σгp и σгd — аналогичные 
значения для глицерина (соответственно 59.4, 22.4 
и 37.0 мДж/м2). 

На 
основании 
полученных 
результатов 

рассчитывали полную поверхностную энергию 
исследуемых образцов (σ = σp  + σd), опреде-
ляющую общую активность поверхности, а также 
соотношение между полярной и дисперсионной 
составляющими поверхностной энергии (σp : σd), 
характеризующее ее гидрофильность.   

Измерение шероховатости поверхности 

образцов 

Шероховатость поверхности исследуемых об-

разцов измеряли с использованием  сканирующего 
зондового 
микроскопа 
NtegraAura 
(NT-MDT)  

в контактном режиме сканирования. 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 

Результаты измерений краевых углов смачива-

ния и расчета поверхностной энергии исследуе-
мых образцов приведены в табл. 1.  

 

 

РЕГУЛИРОВАНИЕ  ГИДРОФИЛЬНО-ГИДРОФОБНЫХ  СВОЙСТВ 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2022, том 32, № 4 

5

 
 

Табл. 1. Значения краевых углов смачивания и поверхностной энергии исследуемых образцов 

 

Условия обработки 

образцов 

 
 

Краевые углы ,  

град. 

Поверхностная энергия, 

мДж/м2 

Вода 
Глицерин
p
d

p / d 

Исходный
материал 

42 
36 
41.9 
13.1 
55.0 
3.2 

HF 
53 
48 
34.8 
11.7 
46.5 
3.0 

Кислота Каро 
39 
37 
48.5 
9.9 
58.4 
4.9 

Кислота Каро и HF 
65 
49 
14.9 
26.0 
40.9 
0.6 

H2O2:  3.7% 
50 

 

45 
37.0 
11.8 
48.8 
3.1 

H2O2:  7.4% 
48 
41 
36.3 
13.9 
50.2 
2.6 

H2O2:  37% 
49 
42 
35.5 
13.9 
39.4 
2.6 

 
 

 
Анализ полученных данных показывает, что 

наиболее резкое изменение состояния поверхности 
наблюдается в случае травления кислотой Каро.  
В случае если обработка исключительно данным 
реагентом приводит к выраженной гидрофилиза-
ции поверхности (увеличению соотношения меж-
ду полярной и дисперсионной составляющими 
поверхностной энергии с 3.2 до 4.9) и росту пол-
ной поверхностной энергии, то при последующей 
обработке плавиковой кислотой, напротив, гидро-
фильность поверхности резко снижается (данное 
соотношение уменьшается до 0.6), так же как  
и полная поверхностная энергия. При этом непо-
средственное воздействие исключительно плави-
ковой кислотой не приводит к существенному из-
менению 
гидрофильно-гидрофобных 
свойств. 

Указанные эффекты могут быть обусловлены 

окислением кремния с образованием относительно 
слабо связанных с поверхностью полярных гидро-
ксильных групп при взаимодействии с кислотой 
Каро и их удалением при последующей обработке 
HF. Обработка разбавленным (3.7%) раствором 
пероксида водорода не вызывает изменения гид-
рофильно-гидрофобных свойств, а использование 
более концентрированных растворов приводит  
к 
небольшому 
снижению 
гидрофильности 

(уменьшению 
соотношения 
между 
полярной  

и дисперсионной составляющими поверхностной 
энергии с 3.2 до 2.6), что может быть обусловлено 
частичным удалением полярных функциональных 
групп и соответствует наблюдаемому снижению 
полной поверхностной энергии.  

Результаты измерения шероховатости поверх-

ности образцов приведены в табл. 2.  

 

 
 

Табл. 2. Характеристики морфологии поверхности образцов 

 

Условия обработки 
Шероховатость Ra, нм 

Исходный материал 
0.14 

HF 
1.48 

Кислота Каро 
0.87 

Кислота Каро и HF 
1.23 

H2O2 3.7% 
0.15 

H2O2 7.4% 
0.18 

H2O2 37% 
0.32 

 

В. Е. КУРОЧКИН, С. В. МЯКИН, Н. А. БУБИС, Л. М. КУЗНЕЦОВ, А. Ю. ШМЫКОВ 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2022, том 32, № 4 

6

 
Наиболее значительный рост шероховатости  

(с 0.14 до 1.48 нм) наблюдается в результате трав-
ления плавиковой кислотой. Воздействие кислоты 
Каро приводит к менее выраженному увеличению 
шероховатости (до 0.87 нм), а последовательная 
обработка кислотой Каро и HF — к промежуточ-
ному результату, составляющему 1.23 нм.  Обра-
ботка разбавленными (3.7 и 7.4%) растворами  
пероксида водорода практически не приводит к из-
менению шероховатости, а воздействие концентри-
рованного (37%) раствора вызывает небольшой  
(до 0.32 нм) рост шероховатости, что может быть 
обусловлено неравномерным удалением примесей.  

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

Полученные результаты демонстрируют эф-

фективный подход к варьированию в широких 
пределах и эффективному регулированию гидро-
фильно-гидрофобных характеристик кремниевых 
пластин, что может найти применение при их под-
готовке к нанесению функциональных слоев  
в различных электронных устройствах, в частно-
сти микрофлюидных чипах, в зависимости от осо-
бенностей характеристик поверхности формируе-
мых слоев.  

Работа выполнена в ИАП РАН в рамках Государст-

венного задания № 075-00761-22-00. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Евстрапов А.А. Микрофлюидные чипы для биологи-

ческих и медицинских исследований // Рос. хим. ж. 
(Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). 2011. Т. 55, 
№ 2. С. 99–110.  
URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=16567720 

2. Manz A., Harrison D.J., Verpoorte E.M.J., Fettinger J.C., 

Lüdi H., Widmer H.M. Miniaturization of chemical analy-
sis systems – A look into next century's technology or just 
a fashionable craze? // Chemia. 1991. Vol. 45. P. 103–
105. DOI: 10.2533/chimia.1991.103 

3. Скворцов А.М. Структурирование поверхности моно-

кристаллов кремния в электронной технике // Научно-
технический вестник информационных технологий, 
механики 
и 
оптики. 
2005. 
№ 20. 
URL: 

https://cyberleninka.ru/article/n/strukturirovanie-
poverhnosti-monokristallov-kremniya-v-elektronnoy-
tehnike (дата обращения: 17.07.2022). 

4. Белостоцкая И.С. Химия кремния.  Инфра-М, 2008. 

64 с.  

5. Messina A., Desidero C., De Rossi A., Bachechi F., Sini-

baldi M. Capillary electrochromatography on methacry-

late based monolithic columns: evaluation of column per-
formance and separation of polyphenols // Chromatogra-
phia. 2005. Vol. 62. P. 409–416. DOI: 10.1365/s10337-
005-0642-4 

6. Орлов А.М., Костишко Б.М., Скворцов А.А. Физиче-

ские основы технологии полупроводниковых прибо-
ров и интегральных микросхем: учебноe пособие. 2-е 
изд., перераб. и доп. Ульяновск: УлГУ, 2014. 423 с. 

7. Абдуллин Ф.А., Пауткин В.Е., Печерская Е.А., Печер-

ский А.В. Применение методов селективного травле-
ния кремния для оценки качества пластин при изго-
товлении микромеханических датчиков // Модели, 
системы, сети в экономике, технике, природе и обще-
стве. 
2018. 
 
№ 
1 
(25). 
 
C. 
72–79. 
URL: 

https://mss.pnzgu.ru/mss7118 

8. Щеглов А.А., Шмыков А.Ю., Мальцев В.Г. Целена-

правленная регуляция электроосмотического потока 
для  оптимизации  капиллярного электрофореза бел-
ков // Научное приборостроение. 2003. Т. 13, № 4. 
С. 22–27. URL: http://iairas.ru/mag/2003/abst4.php#abst2 

9. Курочкин В.Е., Мякин С.В., Шмыков А.Ю. Синтез сло-

ев диизоционат-сульфополистирола на поверхности 
кварцевого стекла для изготовления кварцевых ка-
пиллярных колонок // Научное приборостроение. 
2012. Т. 22, № 4. С. 46–49.  
URL: http://iairas.ru/mag/2012/abst4.php#abst6 

10. Shmykov A.Ju., Mjakin S.V., Vasiljeva I.V., Filippov V.N., 

Vylegzhanina M.E., Sukhanova T.E., Kurochkin V.E. 
Electron beam initiated grafting of methacryloxypropyl-
trimethoxysilane to fused silica glass // Applied Surface 
Science. 2009. Vol. 255, is. 12. P. 6391–6396. DOI: 
10.1016/j.apsusc.2009.02.023 

11.  Бодневич К.С., Пожидаев А.И., Комаров Н.В., Ерма-

кова А.С. Особенности химической обработки крем-
ниевых пластин в кислых травителях // Сборник тру-
дов международной конференции "Инновационные 
подходы к решению технико-экономических проблем".  
М.: издательство "Национальный исследовательский 
университет "Московский институт электронной 
техники", 2020. С. 70–75.  

12. Цветков Ю.Б. Процессы и оборудование микротехнологии: 
Модули 1 и 2: учебное пособие. М.: МГТУ  
им. Н.Э. Баумана, 2017. 122 с. 

13. Шмыков А.Ю., Мякин С.В., Бубис Н.А., Кузнецов Л.М., 

Есикова Н.А., Курочкин В.Е. Оптимизация методов 
подготовки поверхности каналов микрофлюидных 
чипов из борсиликатного стекла // Физика и химия 
стекла. 2020. Т. 46, № 5. С. 490–496. DOI: 
10.31857/S013266512005011X 

14. Красовский А.Н., Мякин С.В., Осмоловская Н.А., 

Пак В.Г., Сычев М.М., Шмыков А.Ю.  Определение 
краевых углов смачивания и поверхностной энергии 
полимерных пленок и композитов (методические указания). 
СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2015.  16 с. 

 
 

ISSN 0868–5886                                         NAUCHNOE  PRIBOROSTROENIE, 2022, Vol. 32, No. 4, pp. 3–10 

7 

 
15. Красовский А.Н., Шмыков А.Ю., Филиппов В.Н., Васильева 
И.В., Мякин С.В., Осмоловская Н.А., Борисова 
С.В., Курочкин В.Е. Исследование поверхностных 
свойств покрытий смеси  полистирола и полистирол-
сульфокислоты на плавленом  кварцевом стекле // Научное 
приборостроение. 2009. Т. 19, № 4. C. 51–58. 
URL: http://iairas.ru/mag/2009/abst4.php#abst6  

16. Красовский А.Н., Шмыков А.Ю., Осмоловская Н.А., 

Мякин С.В., Курочкин В.Е. ИК-спектры и структура 
поверхности покрытий полистирола и полистирол-
сульфокислоты на плавленом кварцевом стекле // Научное 
приборостроение. 2014. Т. 24, № 2. С. 5–15. 
URL: http://iairas.ru/mag/2014/abst2.php#abst1 

 
 

 

 
 

Институт аналитического приборостроения РАН,   
Санкт-Петербург 

 

Контакты: Шмыков Алексей Юрьевич, 
shmykov.alexey@gmail.com 
 
 
 
 

Материал поступил в редакцию 25.08.2022  

 

 
 
 

REGULATION  OF  HYDROPHILIC-HYDROPHOBIC  

PROPERTIES  OF  SILICON  WAFERS 

 

V. E. Kurochkin, S. V. Mjakin, N. A. Bubis,  
L. M. Kuznetzov, A. Y. Shmykov 

 

Institute for Analytical Instrumentation of RAS,  Saint Petersburg, Russia 

 

The possibility of a wide range of adjustment of the hydrophilic-hydrophobic properties of silicon wafers is 

demonstrated by means of treatment with hydrofluoric acid, Caro's acid, and various concentrations of hydrogen 
peroxide solutions. By measuring the contact angles of wetting and calculating the total, polar, and dispersive 
components of the surface energy, it has been found that the most significant hydrophilization of the silicon sur-
face as well as the maximum increase in the surface energy are achieved when the surfice is treated with Caro’s 
acid, while consecutive processing with Caro’s acid and hydrofluoric acid leads to the most prominent hydro-
phobization and a decrease in the surface energy. 
 
 
Keywords: silicon, surface energy, hydrophilicity, Caro’s acid, hydrofluoric acid, hydrogen peroxide 

 

INTRODUCTION 

Silicon wafers are frequently used as substrates 

and semi-finished products in various electronic de-
vices, microcircuits, photovoltaic cells, and other de-
vices. In particular, the important areas of their appli-
cation are microfluidic chips (MFChs) [1, 2], which 
are widely used in electrochromatographic and elec-
trophoretic separation, a number of biomedical appli-
cations, including polymerase chain reactions (PCRs) 
and DNA sequencing. Despite the fact that modern 
technology makes it possible to obtain silicon wafers 
with uniform and repeatable physical characteristics 
(type of conductivity, resistivity, crystallographic 
orientation, geometric parameters, including surface 

roughness), there is often a need to ensure a certain 
state of the surface for the sake of the required compa-
tibility with functional layers not only with respect to 
geometric characteristics, but also with respect to 
functional composition and hydrophilic-hydrophobic 
properties [3, 4]. For example, to be used as part of an 
MFCh, the substrates must have stable hydrophilic 
properties. This is necessary for the subsequent depo-
sition of functional layers that ensure interaction with 
the analyzed substances (DNA, RNA, etc.). 

To regulate the functional-chemical composition of 

the surface, various methods of chemical (alkaline and 
alkaline-acid) etching [5–9], as well as physical  
methods (in particular, electron beam processing [10], 
etc.) are used. However, materials such as silicon are 

В. Е. КУРОЧКИН, С. В. МЯКИН, Н. А. БУБИС, Л. М. КУЗНЕЦОВ, А. Ю. ШМЫКОВ 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2022, том 32, № 4 

8

resistant to most acids and alkalis, which in most  
cases does not allow the achievement of a stable and  
reproducible surface modification and only leads  
to uneven etching and unstable changes in the compo-
sition of surface functional groups. A more effective 
method is the use of hydrofluoric acid, including  
in combination with nitric acid (HF/HNO3 mixture), 
which provides deep, uniform etching, and Caro’s  
acid (a mixture of sulfuric acid and hydrogen perox-
ide), which effectively removes surface impurities 
[11, 12]. 

In [13], we have shown the possibility of control-

ling the hydrophilic-hydrophobic characteristics of  
the surface of borosilicate glass used for the manufac-
ture of MFChs by treating the surface of borosilicate 
glass with hydrofluoric acid and Caro’s acid, as well 
as N2O2 hydrogen peroxide solution, which effectively 
modify the functional composition of the surface. 

In this work, this approach has been applied to sili-

con substrates in order to detect the peculiarities of 
interaction of the reagents used with the surface of 
this material and the possibility of regulating its hy-
drophilic-hydrophobic properties. 

MATERIALS AND METHODS 

Study materials 

The objects of the study in this work were wafers 

of monocrystalline silicon of ЭКЕС [EKES]-0,01-5 
brand (GOST 19658-81), from which samples of  
10  10 mm in size were made for research. 

Reactants 

To treat and modify the surface of the test samples  

acetone (analytical grade, GOST [ГОСТ] 2603-79, 
Neva-Reaktiv LLC), isopropanol (chemically pure, 
TU [ТУ] 2632-181-44493179, EKOS-1 JSC), hydrof-
luoric acid (46–49% solution, ACS, TU 2612-007-
56853252-2010, Neva-Reaktiv LLC),  sulfuric acid 
(95.6% solution, chemically pure, GOST 4204-77, 
Neva-Reaktiv LLC), hydrogen peroxide (37% solu-
tion, chemically pure, GOST 177-88, Neva-Reaktiv 
LLC) were used. 

Methods of sample preparation and processing 

Preparation of samples for modification 

In accordance with the procedure developed in 

[13], before modification, all samples were degreased 
by immersion in acetone for 8 min, after which they 
were washed with distilled water; immersed in iso-
propanol for 5 min and washed again with distilled 
water. 

Then the samples were washed with distilled water 

and dried at 80 °С for 3 h before subsequent etching. 

Sample surface modification 

The modification was carried out using the follow-

ing reagents: 

– Caro’s acid, prepared by mixing stock solutions 

of hydrogen peroxide (37%) and sulfuric acid (98%) 
in a ratio of 1:2 (vol.); 

– 25% (vol.) solution of hydrofluoric acid, ob-

tained by appropriate dilution of the original concen-
trated acid; 

– solutions of hydrogen peroxide H2O2 with a con-

centration of 37% (stock solution), as well as 7.4% 
and 3.7% obtained by diluting the stock solution by 5 
and 10 times, respectively. 

15 samples of the test wafers were treated under 

the following conditions: 

–immersion in HF solution for 5 min; 
–immersion in Caro’s acid for 5 min, followed by 

water washing and immersion in HF solution for 5 
min; 

– immersion in the specified concentrations of hy-

drogen peroxide solutions. 

All experiments were performed in standard Petri 

dishes. 

Measurement of contact angles  

and determination of surface energy 

To measure the contact angles θ of wetting the sur-

face of the studied samples with water and glycerol, 
we applied the goniometric method of photographic 
recording of the image of a drop lying on the surface, 
using a laboratory setup similar to a DSA14 instru-
ment (Kruss, Germany), in accordance with the pro-
cedure described in [14] and successfully tested in 
[15, 16]. The measurements were performed on both 
sides of the samples for 8–10 drops on each side of 
the wafer; the average contact angles of wetting were 
determined with an error of ±1° 

The polar (σp) and dispersion (σd) surface energy 

components of the studied materials were determined 
by solving the system of equations [10]: 




 






1 2
1 2
1 2
1 2
в
в

p
вp
d
вd

cos
1
,
2










 




 






1 2
1 2
1 2
1 2
r
r

p
rp
d
rd

cos
1
,
2










 

where σв, σвp and σвd are the  total surface tension of 
water and its polar and dispersion components (47.8, 
25.0, respectively and 72.8 mJ/m2), and σг, σгp and σгd 
are similar values for glycerol (59.4, 22.4 and  
37.0 mJ/m2, respectively). 

Based on the results obtained, the total surface 

energy of the test samples was calculated (σ = σp  + 
+ σd), determining the total activity of the surface, as 
well as the ratio between the polar and dispersion 

РЕГУЛИРОВАНИЕ  ГИДРОФИЛЬНО-ГИДРОФОБНЫХ  СВОЙСТВ 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2022, том 32, № 4 

9

components of the surface energy (σp : σd), characte-
rizing its hydrophilicity.. 

Measurement of surface roughness of samples 

The surface roughness of the test samples was 

measured using an NtegraAura MPS (NT-MDT) 
scanning probe microscope in contact scanning mode. 

RESULTS AND DISCUSSION 

The results of measurements of the contact angles 

of wetting and calculation of the surface energy of the 
samples under study are given in Tab. 1. 
 

 

The analysis of the obtained data shows that the 

most dramatic change in the state of the surface is ob-
served in the case of etching with Caro’s acid. If the 
treatment exclusively with this reagent leads to a pro-
nounced hydrophilization of the surface (an increase 
in the ratio between the polar and dispersion compo-
nents of the surface energy from 3.2 to 4.9) and an 
increase in the total surface energy, then subsequent 
treatment with hydrofluoric acid, on the contrary, 
leads to a sharp decrease in the hydrophilicity of the 
surface (this ratio decreases to 0.6) in the same way as 
the total surface energy. However, direct exposure to 
hydrofluoric acid alone does not lead to a significant 
change in hydrophilic-hydrophobic properties. These 
effects may be due to the oxidation of silicon with the 
formation of polar hydroxyl groups relatively weakly 
bound to the surface upon interaction with Caro’s acid 
and their removal during subsequent HF treatment. 
Treatment with a diluted (3.7%) hydrogen peroxide 
solution does not cause a change in hydrophilic-
hydrophobic properties, and the use of more concen-
trated solutions leads to a slight decrease in hydrophi-
licity (decrease in the ratio between the polar and dis-
persion components of the surface energy from 3.2 to 
2.6), which may be due to the partial removal of polar 
functional groups and corresponds to the observed 
decrease in total surface energy. 

Results of measurement of surface roughness of 

samples are given in Tab. 2. 
 

 

The most significant increase in roughness (0.14 to 

1.48 nm) is observed as a result of hydrofluoric acid 

etching. The action of Caro’s acid leads to a less pro-
nounced increase in roughness (up to 0.87 nm), but 
subsequent treatment with Caro’s acid and HF leads to 
an intermediate result of 1.23 nm. Treatment with di-
lute (3.7 and 7.4%) solutions of hydrogen peroxide 
practically does not change the roughness, and the 
effect of a concentrated (37%) solution causes a small 
(up to 0.32 nm) increase in roughness, which may be 
due to uneven removal of impurities. 

CONCLUSION 

The results obtained demonstrate an effective ap-

proach to wide variation and effective control of the 
hydrophilic-hydrophobic characteristics of silicon wa-
fers, which can be used in their preparation for the 
deposition of functional layers in various electronic 
devices, in particular microfluidic chips, depending on 
the characteristics of the surface of the layers to be 
formed. 

REFERENСES 

1. Evstrapov A.A. [Microfluidic Chips for Biological and 

Medical Research]. Rossijskij himicheskij zhurnal [Rus-
sian Chemical Journal], 2011, vol. 55, no. 2, pp. 99–110.  
URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=16567720 (In Russ.) 

2. Manz A., Harrison D.J., Verpoorte E.M.J., Fettinger J.C., 

Lüdi H., Widmer H.M. Miniaturization of chemical analy-
sis systems – A look into next century's technology or just 
a fashionable craze? Chemia, 1991, vol. 45, pp. 103–105. 
DOI: 10.2533/chimia.1991.103 

3. Skvortsov A.M. [Surface structuring of silicon single 

crystals in electronic engineering]. Nauchno-tekhnicheskii 
vestnik informatsionnykh tekhnologii, mekhaniki i optiki 
[Scientific and Technical Journal of Information Technol-
ogies, Mechanics and Optics], 2005, no. 20, pp. 186–191. 
URL: 
https://cyberleninka.ru/article/n/strukturirovanie-

poverhnosti-monokristallov-kremniya-v-elektronnoy-
tehnike (accessed: 17.07.2022). (In Russ.) 

4. Belostotskaya I.S. Khimiya kremniya [Silicon chemistry]. 

Moscow, Infra-M Publ., 2008. 64 p. (In Russ.) 

5. Messina A., Desidero C., De Rossi A., Bachechi F., Sini-

baldi M. Capillary electrochromatography on methacry-
late based monolithic columns: evaluation of column  
performance and separation of polyphenols. Chromato-
graphia, 
2005, 
vol. 
62, 
pp. 
409–416. 
DOI: 

10.1365/s10337-005-0642-4 

6. Orlov A.M., Kostishko B.M., Skvortsov A.A. Fizicheskie 

osnovy tekhnologii poluprovodnikovykh priborov i in-
tegral'nykh mikroskhem: uchebnoe posobie. 2-e izd., pere-
rab. i dop. [Physical basics of semi-conductor devices and 
integrated micro-circuits technology: tutorial, 2nd ed., 
Rev. and add]. Ulyanovsk: UlGU Publ., 2014. 423 p. (In 
Russ.) 

7. Abdullin F.A., Pautkin V.E., Pecherskaya E.A., Pechers-

kiy A.V. [Application of methods of selective drying of 
silicon for estimation of quality of plates at the manufacture 

Tab. 1. Values of the contact angles of wetting and 
surface energy of the studied samples 

Tab. 2. Characteristics of the surface morphology of 
the samples 

В. Е. КУРОЧКИН, С. В. МЯКИН, Н. А. БУБИС, Л. М. КУЗНЕЦОВ, А. Ю. ШМЫКОВ 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2022, том 32, № 4 

10

of micromechanical sensors]. Modeli, sistemy, seti v eh-
konomike, tekhnike, prirode i obshchestve [Models, sys-
tems, networks in economics, engineering, nature and so-
ciety], 2018, no. 1(25), pp. 72–79.  
URL: https://mss.pnzgu.ru/mss7118 (In Russ.) 

8. Shcheglov A.A., Shmykov A.Yu., Maltsev V.G. [Pur-

poseful regulation of electroosmotic flow in chemically 
modified fused-silica capillaries for optimization of capil-
lary electrophoresis of proteins]. Nauchnoe Priborostroe-
nie [Scientific Instrumentation], 2003, vol. 13, no. 4, 
pp. 22–27.  
URL: http://iairas.ru/mag/2003/abst4.php#abst2 (In Russ.) 

9. Kurochkin V.E., Myakin S.V., Shmykov A.Yu. [Synthesis 

of consecutive diisocyanate and sulfonated polystyrene 
layers on silica glass surface for the production of fused 
silica capillary columns]. Nauchnoe Priborostroenie 
[Scientific Instrumentation], 2012, vol. 22, no. 4, pp. 46–
49. URL: http://iairas.ru/mag/2012/abst4.php#abst6 (In 
Russ.) 

10. Shmykov A.Ju., Mjakin S.V., Vasiljeva I.V., Filip-

pov V.N., Vylegzhanina M.E., Sukhanova T.E., Kuroch-
kin V.E. Electron beam initiated grafting of methacrylox-
ypropyl-trimethoxysilane to fused silica glass. Applied 
Surface Science, 2009, vol. 255, is. 12, pp. 6391–6396. 
DOI: 10.1016/j.apsusc.2009.02.023 

11. Bodnevich K.S., Pozhidaev A.I., Komarov N.V., Ermako-

va A.S. [Features of chemical treatment of silicon wafers 
in acid etchants]. Sbornik trudov mezhdunarodnoi konfe-
rentsii "Innovatsionnye podkhody k resheniyu tekhniko-
ehkonomicheskikh problem" [Proc. of the international 
conference "Innovative approaches to solving technical 
and economic problems"], 2020. Moscow, "Natsional'nyi 
issledovatel'skii universitet "Moskovskii institut ehlek-
tronnoi tekhniki" Publ., 2020. pp. 70–75. (In Russ.) 
 
 

12. Tsvetkov Yu.B. Protsessy i oborudovanie mikrotekhnolo-

gii: Moduli 1 i 2: uchebnoe posobie [Microtech Processes 
and Equipment: Modules 1 and 2: Tutorial]. Moscow, 
MGTU im. N.Eh. Baumana Publ., 2017. 122 p. (In Russ.) 

13. Shmykov A.Ju., Mjakin S.V., Bubis N.A., Kuznet-

sov L.M., Esikova N.A., Kurochkin V.E. [Optimization of 
methods for preparing the surface of channels of micro-
fluidic chips made of borosilicate glass]. Fizika i himia 
stekla [Physics and Chemistry of Glass], 2020, vol. 46, 
no. 5, pp. 490–496. DOI: 10.31857/S013266512005011X 
(In Russ.) 

14. Krasovskii A.N., Myakin S.V., Osmolovskaya N.A., Pak 

V.G., Sychev M.M., Shmykov A.Yu. Opredelenie krae-
vykh uglov smachivaniya i poverkhnostnoi ehnergii poli-
mernykh plenok i kompozitov (metodicheskie ukazaniya) 
[Determination of edge angles of wetting and surface 
energy of polymer films and com-posites (guidelines)]. 
Saint Petrsburg, SPbGTI (TU) Publ., 2015.  16 p. (In 
Russ.) 

15. Krasovsky A.N., Shmykov A.Ju., Filippov V.N., Vasilje-

va I.V., Mjakin S.V., Osmolovskaya N.A., Borisova S.V., 
Kurochkin V.E. [Study of the surface properties of coat-
ings 
comprising 
a 
mixture 
of 
polystyrene 
and 

poly(styrenesulfonic acid) on the fused silica glass]. 
Nauchnoe Priborostroenie [Scientific Instrumentation], 
2009, vol. 19, no. 4, pp. 51–58.  
URL: http://iairas.ru/mag/2009/abst4.php#abst6 (In Russ.) 

16. Krasovskii A.N., Shmykov A.Yu., Osmolovskaya N.A., 

Mjakin S.V., Kurochkin V.E. [IR spectra and surface 
structure of polystyrene and polystyrene sulfonic acid 
coatings on fused silica glass]. Nauchnoe Priborostroenie 
[Scientific Instrumentation], 2014, vol. 24, no. 2, pp. 5–
15. URL: http://iairas.ru/mag/2014/abst2.php#abst1 (In 
Russ.) 

 

 
 
Contacts: Shmykov Aleksey Yur'evich,  
shmykov.alexey@gmail.com 
 

 
 
 

Article received by the editorial office on 25.08.2022 

 

 

ISSN 0868–5886                                          НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2022, том 32, № 4, c. 11–19 
 

 ФИЗИКА  И  ХИМИЯ  ПРИБОРОСТРОЕНИЯ 

11 

  
УДК 543.426; 543.9 
 
 Д. А. Белов, Ю. В. Белов, А. Н. Зубик, В. Е. Курочкин, 2022 
 

ПОВЫШЕНИЕ  ДОСТОВЕРНОСТИ  МЕТОДА  
ПЛАВЛЕНИЯ  ДНК  ПУТЕМ  ПРОВЕДЕНИЯ  

ПОВТОРНЫХ АНАЛИЗОВ 

 

В статье изучена возможность использования повторных анализов методом плавления ДНК для повышения 
их достоверности, а именно уменьшения погрешности определения температуры плавления ДНК Tm. Экспе-
риментально выявлено статистически значимое различие значений Tm анализируемых образцов в последовательно 
проведенных анализах, препятствующее повышению достоверности. Показано, что увеличение температуры 
плавления Tm в проведенной серии экспериментов в среднем на 0.12 град. обусловлено испарением 
1.65% воды из пробирки. Экспериментально выявлено изменение массы на 0.8 ± 0.1% от общей массы 
воды в пробирках в результате теплового режима, аналогичного анализу методом плавления, что частично 
подтверждает предположение. Рекомендовано при повторных анализах методом плавления ДНК учитывать 
этот эффект и реализовывать мероприятия, препятствующие испарению воды. Приведены аналитические 
выражения для относительной оценки изменения концентрации ионов натрия и объема воды в пробе. 
 
 
Кл. сл.: метод плавления ДНК, HRMA, испарение 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Современный метод плавления ДНК выполняется 
после полимеразной цепной реакции  
в реальном времени (ПЦР-РВ) на детектирующих 
амплификаторах, при этом для генерации флуоресцентного 
сигнала используются интеркали-
рующие красители, молекулы которых присоединяются 
к двойной цепи ДНК. При повышении 
температуры двойная цепь ДНК постепенно 
распадается на две одноцепочечные молекулы, 
вызывая отсоединение молекул красителя и спад 
интенсивности флуоресценции [1]. 

Графики плавления ДНК (ГП) представляют 

собой зависимости флуоресцентного отклика пробы 
от температуры и отличаются друг от друга 
формой и значением температуры плавления Tm, 
что позволяет определять различия во фрагментах 
ДНК по их составу, длине и статусу метилирова-
ния и применять метод во множестве прикладных 
задач, таких как геномное сканирование, геноти-
пирование, сопоставление последовательностей  
и эпигенетические исследования [2]. 

Значение Tm соответствует температуре, при 

которой 50% нуклеотидов в молекулах ДНК теряют 
водородные связи [3], и традиционно определяется 
как координата точки перегиба ГП, что соответствует 
значению максимума отрицательной 
производной ГП по температуре [4]. В ряде задач 
требуется высокая точность определения температуры 
Tm, например, для достоверного генотипиро-

вания штаммов M. tuberculosis необходимо выявлять 
различия в значениях Tm менее 0.1 град. [5]. 

С целью уменьшения погрешности измерения 

температуры Tm применяются известные методики, 
основанные на фильтрации и/или аппроксимации 
ГП различными непрерывными функциями, 
например полиномом третьей степени в ограниченном 
диапазоне изменения температуры, как  
в программе ANK_Melting [6], или усовершенствованной 
сигмоидальной функцией (СФ) [7].  
В статьях [8–10] рекомендуется после предварительной 
нормализации выполнять численное дифференцирование 
графиков плавления с помощью 
полиномов Савицкого – Голея второй степени  
в каждой точке [11]. 

Метод плавления ДНК является неразрушающим, 
поэтому одним из дополнительных способов 
повышения достоверности результатов анализа 
может 
быть 
повторение 
экспериментов 
для 

накопления статистики. В настоящей статье рассматривается 
возможность применения такого 
подхода. 

ПОЛУЧЕНИЕ И ОБРАБОТКА  

ИСХОДНЫХ ДАННЫХ  

Для получения исходных данных выполнен 

трехкратный анализ методом плавления ДНК трех 
известных образцов ампликонов цитокератина (CK-
19) на анализаторе нуклеиновых кислот АНК-32, 

Д. А. БЕЛОВ, Ю. В. БЕЛОВ, А. Н. ЗУБИК, В. Е. КУРОЧКИН 

НАУЧНОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2022, том 32, № 4 

12

который серийно выпускается в Институте аналитического 
приборостроения РАН (Россия). Ам-
пликоны были получены в результате 50 циклов 
ПЦР-РВ с интеркалирующим красителем SYBR 
Green I ("ПЦР-Микс" М-427, ООО "Синтол", Россия) 
и специально разработанными праймерами 
(ООО "ДНК-Синтез", Россия). Образцы 1, 2 и 3  
в 
четырех 
пробирках 
каждый 
анализировались 
в диапазоне температур 70–95 °C с шагом  
0.5 град. и длительностью выдержки на каждом 
шаге 30 с. Образцы 1, 2 и 3 имеют соответственно 
содержание нуклеотидов гуанина и цитозина  
во фрагменте ДНК [G + C], равное 53, 59 и 58% 
при длине фрагментов Lp, равной 103, 209 и 309 
пар нуклеотидов (п. н.). Начальная концентрация 
ионов натрия во всех пробах равна 0.125 моль/л. 

 

 
 

Табл. 1. Значения температур плавления анализируемых образцов (°C) 

 

№ 

эксперимента 

№ образца 

1 
2 
3 

1 
84.37 ± 0.04 
90.55 ± 0.10 
90.72 ± 0.08 

2 
84.53 ± 0.05 
90.68 ± 0.09 
90.85 ± 0.06 

3 
84.65 ± 0.09 
90.83 ± 0.12 
90.98 ± 0.06 

 
Примечание. Уровень значимости 0.05, объем выборки 4 

 
 
 

 

 

Рис.  Графики плавления образца 1 по результатам первого (I), второго (II) и 
третьего (III) анализов 
 

 
 

О.Е.Ф.