Датчики на основе серебра для обнаружения малого количества вещества и примесей разработали исследователи НЦМУ СПбПУ
Специалисты Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали методику изготовления подложек для SERS-датчиков на основе наночастиц и поверхностных наноостровковых пленок* серебра. Разработанные подложки могут использоваться как платформа для обнаружения химических, биологических и токсичных примесей в системах безопасности, экологического мониторинга, фармакологии, биологии и химии, например, для обнаружения пестицидов в пищевых продуктах.
SERS (поверхностно усиленное рамановское (комбинационное) рассеяние) является широко распространенным методом высокочувствительного анализа химического состава вещества и обнаружения биологических объектов. Усиление сигнала комбинационного рассеяния металлическими наночастицами связано с увеличением локального электрического поля световой волны вблизи металлических наноструктур, используемых в качестве подложек для SERS. Подложки должны демонстрировать однородность структур, высокую воспроизводимость, иметь длительный срок хранения, а также большую площадь SERS-активной области, и при этом – низкую себестоимость и возможность массового производства.
Исследователи лаборатории «Многофункциональные стеклообразные материалы» НЦМУ «Передовые цифровые технологии» СПбПУ разработали методику изготовления подложек для SERS-датчиков на основе наноостровковых пленок серебра, формируемых на поверхности стекла. Наночастицы растут в объеме стекла при термическом или лазерном нагреве образца, содержащего ионы серебра, и при выходе на поверхность образуют наноостровковую пленку. SERS-активность серебряных наноостровковых пленок была подтверждена при исследовании красителей (изомеры азобензола, родамин, пиридин); белков (бактериородопсин); аминокислот (аланин, серин, валин); антител/антигенов (нуклеопротеин коронавируса и моноклональные антитела).
Методика соответствует всем требованиям, предъявляемым к SERS-подложкам. Разработанные учеными НЦМУ СПбПУ структуры позволяют осуществлять идентификацию веществ в количестве вплоть до нескольких молекул за счет усиления рамановского сигнала от анализируемого вещества в миллион и более раз, они превосходят аналоги по размерам активной области и стабильности сигнала. Кроме того, полностью импортонезависимая уникальная технология исследователей Петербургского Политеха позволяет изготавливать SERS-подложки существенно (более, чем в 10 раз) дешевле, чем существующие сегодня на рынке аналоги.
Также ученые лаборатории «Многофункциональные стеклообразные материалы» провели исследование влияния атмосферы на морфологические и оптические характеристики серебряных наноостровковых пленок и нашли способ защиты островковых пленок от агрессивных сред. В частности, исследователи изучили два метода защиты подложек от воздействия внешней среды: 1) покрытие подложек биосовместимой полимерной пленкой, 2) использование стеклянной матрицы, в которой растут наночастицы, в качестве «естественной» защиты от внешних факторов.
Исследования показали, что полимерная пленка не является надежной защитой плазмонных наноструктур от деградации и, кроме того, снижает эффективность диагностики. Использование стеклянной матрицы, в которой растут наночастицы, в качестве естественной защиты от внешних факторов демонстрирует высокую стабильность – ни оптические, ни морфологические характеристики наночастиц не деградировали после длительного (8 месяцев) хранения.
«Высокая стабильность наночастиц связана с уникальностью методики их формирования. Наночастицы покрыты тонким слоем стекла и, таким образом, защищены от окисления и сульфидизации. После удаления верхнего слоя стекла частицы могут быть использованы для усиления комбинационного рассеяния. При этом даже после длительного хранения образцов порядок усиления остается на уровне 105-106. Низкая подвижность/растворимость серебра в стекле препятствует агломерации/растворению наночастиц и, соответственно, изменения пространственного распределения наночастиц в стекле после длительного хранения не наблюдается», – объясняет к.ф.-м.н., старший научный сотрудник НИЛ «Многофункциональные стеклообразные материалы» Екатерина Бабич.
В дальнейшем сотрудники лаборатории НЦМУ СПбПУ планируют исследование подложек для SERS-датчиков с наночастицами из сплава золота и серебра.
«Мы предполагаем, что присутствие инертного металла (золота) повысит стабильность наночастиц, а варьирование режима изготовления позволит контролировать долю серебра в наночастицах и управлять спектральным положением поверхностного плазмонного резонанса – длины волны, на которой разрабатываемые подложки оказываются максимально эффективными для измерений SERS. К тому же, золото хорошо совместимо с биологическими клетками, что позволяет рассчитывать на высокую адгезию клеток к подложке и биосовместимость разрабатываемых структур», – комментирует дальнейшие планы заведующая «Многофункциональные стеклообразные материалы» НЦМУ СПбПУ Валентина Журихина.
Справочно:
*Наноостровковые пленки – это совокупность не соприкасающихся друг с другом фрагментов вещества на твердой подложке. Данный тип пленок возникает, например, при разрыве сплошной пленки на твердой подложке и превращения фрагментов в ансамбль разобщенных островков. В НИЛ «Многофункциональные стеклообразные материалы» наноостровковые пленки получают методом диффузии серебра из глубины стеклянной подложки на поверхность. Это не требует напыления металла на образец.
Материал, посвященный результатам исследования НИЛ «Многофункциональные стеклообразные материалы» НЦМУ СПбПУ, опубликован на научном портале Naked Science.
