Новый метод 3D-печати наночастицами помог ученым МФТИ обнаружить вещества малых концентраций

Физики Московского физико-технического института исследовали более эффективный метод обнаружения малых концентраций веществ с помощью плазмонных наноструктур, используемых в биомедицинской диагностике и химическом анализе.

Ученые исследовали усиление сигнала поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) на структурах, нанесенных методом сухой аэрозольной печати золотыми наночастицами, адаптировав методы термической и импульсной лазерной модификации синтезируемых наночастиц. Эти способы позволили изготовить плазмонные наноструктуры, которые впоследствии смогут найти применение во многих областях рамановской спектроскопии, сообщает научный журнал МФТИ «За науку».

SERS применяют в аналитической химии, биомедицине и промышленности для идентификации малых концентраций веществ. Рамановская спектроскопия выявляет тип молекул по их колебательному спектру. В этом методе молекулы поглощают энергию падающего света, моментально переизлучая его на других частотах, характерных для каждого типа молекул. Эта разность частот регистрируется в виде спектра. Можно увеличить чувствительность метода, если нанести исследуемое вещество на покрытую металлическими наночастицами подложку. Такая техника называется поверхностно-усиленной рамановской спектроскопией, в ее основе лежит явление плазмонного резонанса. В этом методе сигнал неупруго рассеивается анализируемым веществом и усиливается окружающими наночастицами, образующими плазмонную наноструктуру. Плазмонные свойства критически зависят от формы и размера наночастиц, поэтому важно синтезировать оптимальные наночастицы, подходящие для метода SERS.

Способы создания плазмонных наноструктур, такие как электронная литография и осаждение вещества из паровой или жидкой фазы, могут загрязнять поверхность подложки. Физики МФТИ разработали новый метод синтеза плазмонных наноструктур — сухую аэрозольную печать. В нем на подложку наносятся наночастицы металла, полученные в газоразрядной камере. Преимущество этого метода — простота бесконтактного нанесения частиц в режиме реального времени без 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. В новой работе 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.

«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», — рассказал научный сотрудник Центра испытаний функциональных материалов МФТИ Кирилл Хабаров.

В экспериментах ученые наносили золотые наночастицы на подложку оксида алюминия методом сухой аэрозольной печати. Исходные частицы со средними размерами 10-20 нанометров синтезировали при помощи электрического разряда между двумя золотыми электродами, затем наночастицы потоком газа выносились через систему газовых трубок и сопло на поверхность подложки. Во время пролета в результате броуновского движения наночастицы сталкивались и сцеплялись в агломераты различной формы размерами 150-300 нанометров.

Физики предположили, что степень агломерации наночастиц на подложке и их средний размер могли серьезно влиять на интенсивность рамановского рассеяния. Ученые изготовили несколько серий подложек разной степени наноструктурированности из наночастиц золота. В первом типе структур никаких дополнительных манипуляций с наночастицами не производили, во втором наночастицы подвергались термической обработке, в третьем — воздействию импульсным лазерным излучением разной плотности энергии. В последних двух способах образуются как агломераты, так и отдельные наночастицы, однако в случае лазерной модификации максимальной мощности с плотностью энергии 12 мДж/см^2 общее количество отдельных наночастиц оказалось выше, чем в остальных случаях, что подтвердилось дополнительными исследованиями сканирующей электронной микроскопии.

Изображения массивов плазмонных наноструктур золота на подложке: первоначальные частицы (a), частицы после термической обработки (b), частицы после лазерной модификации с плотностью энергии 4 мДж/см^2 (d), частицы после лазерной модификации с плотностью энергии 12 мДж/см^2 (e)

Чтобы проверить гипотезу о влиянии агломерации на интенсивность сигнала SERS, физики определили предел обнаружения вещества на каждой полученной подложке. В качестве тестового вещества ученые взяли органический краситель метиленовый синий. По результатам исследований они обнаружили, что наибольшее усиление рамановского сигнала происходило на подложках, которые состоят из наночастиц, подвергшихся лазерной модификации с максимальной плотностью энергии 12 мДж/см^2, а теоретически рассчитанный предел обнаружения аналита составлял 10-11 М, тогда как для массивов из первоначальных наночастиц — всего 10-6 М.

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.

В дальнейшем ученые планируют адаптировать метод сухой аэрозольной печати для синтеза наночастиц других, более доступных металлов, а разработанные способы модификации позволят создавать нанообъекты, которые найдут широкое применение в качестве приложений для детектирования веществ.

Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ. Доклад научной команды опубликован в журнале Nanomaterials.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.