При проведении спектрометрических исследований — например, в биомедицинской диагностике и химическом анализе — используются плазмонные наноструктуры. Физики из подведомственного Минобрнауки России Московского физико-технического института (МФТИ) показали, как можно увеличить предел обнаружения малых концентраций веществ с помощью нового метода синтеза таких наноструктур — сухой аэрозольной печати.
Фото: Getty Images
Фото: Getty Images
Как говорят ученые, применяемый ими метод изготовления плазмонных наноструктур достаточно прост в использовании и позволяет с затратой минимальных ресурсов и времени формировать усиливающие среды для задач рамановской спектроскопии (англ. SERS — Surface enhanced Raman spectroscopy).
SERS применяют в аналитической химии, биомедицине и промышленности для идентификации малых концентраций веществ. Исследуемое вещество наносят на покрытую металлическими наночастицами подложку. Сигнал усиливается наночастицами подложки, образующими плазмонную наноструктуру, и чувствительность метода увеличивается.
В своей новой научной работе ученые адаптировали методы термической и импульсной лазерной модификации синтезируемых наночастиц и разработали новый метод синтеза плазмонных наноструктур — сухую аэрозольную печать.
В нем на подложку наносятся наночастицы металла, полученные в газоразрядной камере. Преимущества данного метода — простота нанесения частиц бесконтактно, в режиме реального времени, и отсутствие вспомогательных веществ, требующих последующего удаления с поверхности подложки. Обширный набор параметров газового разряда позволяет легко управлять синтезом наночастиц, а также точно контролировать их размеры и концентрацию. Сотрудники Центра испытаний функциональных материалов МФТИ использовали несколько способов модификации наночастиц, чтобы оценить, как размеры наночастиц металла и их распределение по поверхности подложки влияют на интенсивность сигнала SERS.
Кирилл Хабаров, научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов МФТИ, рассказывает: «Применяемый нами метод изготовления плазмонных наноструктур достаточно прост в использовании и позволяет с затратой минимальных ресурсов и времени формировать усиливающие среды для задач рамановской спектроскопии».
Эмилия Филалова, младший научный сотрудник лаборатории печатной и кремниевой микроэлектроники МФТИ, добавляет: «Полученные результаты по усилению сигнала комбинационного рассеяния для напечатанных нашим методом плазмонных наноструктур находятся на высоком уровне, сопоставимом с другими исследованиями, и даже превосходят их».
Изображения массивов плазмонных наноструктур золота на подложке: а) первоначальные частицы; b) частицы после термической обработки; d) частицы после лазерной модификации с плотностью энергии 4 мДж/см²; е) частицы после лазерной модификации с плотностью энергии 12 мДж/см². Масштаб белой линии — 1 микрометр
Фото: Nanomaterials
Изображения массивов плазмонных наноструктур золота на подложке: а) первоначальные частицы; b) частицы после термической обработки; d) частицы после лазерной модификации с плотностью энергии 4 мДж/см²; е) частицы после лазерной модификации с плотностью энергии 12 мДж/см². Масштаб белой линии — 1 микрометр
Фото: Nanomaterials
В своем исследовании ученые выяснили, что соотношение числа агломератов и отдельных наночастиц в составе наноструктуры играет ключевую роль в усилении сигнала SERS ввиду способности отдельных наночастиц демонстрировать сильную локализацию поля. Таким образом, меняя параметры синтеза, можно влиять на размерные характеристики конечных наночастиц и создавать нанообъекты определенной формы для эффективного резонансного взаимодействия со светом. Физики подобрали оптимальные параметры синтеза наночастиц золота для получения максимального усиления рамановского рассеяния.
Соавтор работы, аспирантка МФТИ Екатерина Каменева говорит: «По сути, это экспресс-тест. Мы капаем исследуемое вещество на плазмонную наноструктуру, получаем усиленный сигнал рамановского рассеяния и спектр, по которому определяем состав».
В дальнейшем ученые планируют адаптировать метод сухой аэрозольной печати для синтеза наночастиц других, более доступных металлов, а разработанные способы их модификации позволят создать нанообъекты, которые найдут широкое применение в качестве приложений для детектирования веществ.
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Работа опубликована в международном журнале (Nanomaterials).
По материалам, предоставленным пресс-службой МФТИ.