Золотые наночастицы помогут определить состав вещества

Ученые из Университета ИТМО и университета им. Давида Бег-Гуриона научились определять химический состав различных веществ с помощью метаповерхности из золотых наночастиц.
Золотые наночастицы помогут определить состав вещества

Сегодня все больше внимания уделяется контролю за состоянием воздуха и воды, наличию в них вредных примесей. Люди осознали, что даже небольшое количество опасных соединений может крайне негативно сказаться на здоровье человека и животных. Для того, чтобы следить за химическим составом различных веществ, искать в них те или иные соединения, необходимо сложное оборудование. Наиболее распространенной методикой, которую для этого используют, является колебательная спектроскопия.

«С ее помощью можно с легкостью узнать молекулярный состав совершенно неизвестного для вас вещества, – рассказывает аспирант совместной образовательной программы  между Университетом ИТМО и университетом им. Давида Бен-Гуриона в Негеве Далер Дададжанов, сотрудник Международного центра Физики наноструктур. – Как это работает: есть неизвестное химическое вещество, которое состоит из набора взаимодействующих между собой атомов, к примеру, у аминогруппы есть атомы водорода и азота. При падении на них светового излучения атомы начинают осциллировать, поглощая при этом определенную энергию. В результате на выходе энергия будет уже меньше. По тому, на какой частоте поглотилась энергия, можно судить о том, какие функциональные группы атомов содержит молекула. Можно составить некий «паспорт молекул», сверяясь с которым детектор и определяет, с каким веществом имеет дело».             

Сегодня такие спектрографы работают в средней инфракрасной (ИК) области спектра, которой соответствует излучение с длиной волны 2,5-25 микрометров. В этом диапазоне различия между падающей энергией и энергией, уже прошедшей сквозь вещество, хорошо заметны и удобны для анализа. Однако анализаторы, работающие в среднем ИК-спектре, сравнительно велики и громоздки, не говоря уже об их цене. Кроме того, некоторые полосы в среднем ИК-спектре настолько интенсивны, например, относящиеся к колебаниям атомов водорода в гидроксильной группе (OH), что при детектировании малого количества вещества приводят к полному поглощению. Присутствие таких полос вызывает трудности при интерпретации других характеристических колебательных полос в спектре поглощения.

Систему можно было бы сделать в несколько раз меньше, если работать не среднем ИК-диапазоне, а в ближнем, которому соответствует более коротковолновое излучение. Ближний ИК диапазон освоен гораздо лучше среднего, прежде всего, благодаря тому, что именно в этом диапазоне работает современный телеком.

«Основное преимущество ближней ИК-области спектра – это то, что на текущий день в этой области существует много энергоэффективных и высококачественных непрерывных источников излучения и надежных детекторов, – поясняет Дададжанов, – они дешевле, чем для средней ИК-зоны, и компактнее. Так, оборудование для средней ИК-области может иметь габариты полтора на полтора метра, а для ближней оно, вероятно, сможет уместиться на человеческой ладони».

Метаповерхность из нанопараллелепипедов
Метаповерхность из нанопараллелепипедов , ИТМО

Однако существует проблема – уменьшение длины волны приводит к тому, что разница между попавшей на образец энергией и прошедшей сквозь него оказывается совсем небольшой и сложно улавливаемой для детектора. В результате для качественного анализа требуется большее количество вещества, что ставит под угрозу компактизацию всей установки. Кроме того, есть и другая сложность – концепция многих сенсоров заключается в детектировании неизвестного вещества с предельно малой концентрацией, к примеру, токсичных молекул. При использовании ближнего ИК-диапазона это усложняет задачу.

Перед тем как создать устройство-анализатор на основе колебательной спектроскопии в ближней ИК-области, необходимо придумать, как усилить сигнал, получаемый от разницы падающей и проходящей сквозь вещество энергии. Над этим проектом совместно работали специалисты университета им. Давида Бен-Гуриона в Негеве (Ben-Gurion University of the Negev, Israel) под руководством доктора Алины Карабчевской и их коллег из Университета ИТМО. Их работа опубликована в журнале Nanomaterials.

«В нашей работе мы предлагаем следующий дизайн – на подложке из прозрачного диэлектрика, например, боросиликатного стекла, формируется периодический массив золотых нанопараллелепипедов. Такие структуры могут быть получены с помощью электронно-лучевой литографии, – рассказывает Дададжанов. – После этого мы покрываем подложку тонким слоем исследуемого вещества и регистрируем спектр пропускания образца, который обусловлен совместным возбуждением плазмонного резонанса в золотых наночастицах и молекулярных колебаний исследуемого вещества. Золотые нанопараллелепипеды рассчитанной формы имеют плазмонный резонанс именно в той области спектра, в которой находятся полосы поглощения исследуемых молекул. Кроме того, вблизи металлической поверхности происходит дополнительное усиление поля. Это повышает чувствительность предложенного сенсора».

Данная работа пока является теоретической – исследования велись на численных моделях. Следующим этапом станет проведение реальных экспериментов по созданию подобных систем в лабораторных условиях.

Материал предоставлен пресс-службой ИТМО