Вчені з Університету ІТМО та університету ім. Давида Біг-Гуріона навчилися визначати хімічний склад різних речовин за допомогою метаповерхності із золотих наночастинок.
Сьогодні все більше уваги приділяється контролю за станом повітря і води, наявності в них шкідливих домішок. Люди усвідомили, що навіть невелика кількість небезпечних сполук може вкрай негативно позначитися на здоров'ї людини і тварин. Для того, щоб стежити за хімічним складом різних речовин, шукати в них ті чи інші сполуки, необхідно складне обладнання. Найбільш поширеною методикою, яку для цього використовують, є коливальна спектроскопія.
"З її допомогою можна з легкістю дізнатися молекулярний склад абсолютно невідомої для вас речовини, - розповідає аспірант спільної освітньої програми між Університетом ІТМО та університетом ім. Давида Бен-Гуріона в Негеві Далер Дададжанов, співробітник Міжнародного центру Фізики наноструктур. - Як це працює: є невідома хімічна речовина, яка складається з набору взаємодіючих між собою атомів, наприклад, у аміногрупи є атоми водню і азоту. При падінні на них світлового випромінювання атоми починають осцилювати, поглинаючи при цьому певну енергію. У результаті на виході енергія буде вже меншою. З того, на якій частоті поглинулася енергія, можна судити про те, які функціональні групи атомів містить молекула. Можна скласти якийсь "паспорт молекул", звіряючись з яким детектор і визначає, з якою речовиною має справу ".
Сьогодні такі спектрографи працюють в середній інфрачервоній (ВК) області спектру, якій відповідає випромінювання з довжиною хвилі 2,5-25 мікрометрів. У цьому діапазоні відмінності між падаючою енергією та енергією, що вже пройшла крізь речовину, добре помітні і зручні для аналізу. Однак аналізатори, що працюють в середньому ВК-спектрі, порівняно великі і громіздки, не кажучи вже про їх ціну. Крім того, деякі смуги в середньому ВК-спектрі настільки інтенсивні, наприклад, що відносяться до коливань атомів водню в гідроксильній групі (OH), що при детектуванні малої кількості речовини призводять до повного поглинання. Присутність таких смуг викликає труднощі при інтерпретації інших характеристичних коливальних смуг у спектрі поглинання.
Систему можна було б зробити в кілька разів менше, якщо працювати не середньому ІК-діапазоні, а в ближньому, якому відповідає більш короткохвильове випромінювання. Ближній ВК діапазон освоєний набагато краще середнього, насамперед, завдяки тому, що саме в цьому діапазоні працює сучасний телеком.
"Основна перевага ближньої ВК-області спектру - це те, що на поточний день в цій області існує багато енергоефективних і високоякісних безперервних джерел випромінювання і надійних детекторів, - пояснює Дададжанов, - вони дешевше, ніж для середньої ІК-зони, і компактніше. Так, обладнання для середньої ВК-області може мати габарити півтора на півтора метра, а для ближньої воно, ймовірно, зможе вміститися на людській долоні ".
Метаповерхність з нанопараллелепіпедів
Однак існує проблема - зменшення довжини хвилі призводить до того, що різниця між потрапила на зразок енергією і пройшла крізь нього виявляється зовсім невеликою і складно вловлюваною для детектора. У результаті для якісного аналізу потрібна більша кількість речовини, що ставить під загрозу компактизацію всієї установки. Крім того, є й інша складність - концепція багатьох сенсорів полягає в детектуванні невідомої речовини з гранично малою концентрацією, наприклад, токсичних молекул. При використанні ближнього ВК-діапазону це ускладнює завдання.
Перед тим як створити пристрій-аналізатор на основі коливальної спектроскопії в ближній ВК-області, необхідно придумати, як посилити сигнал, що отримується від різниці падаючої і проходить крізь речовину енергії. Над цим проектом спільно працювали фахівці університету ім. Давида Бен-Гуріона в Негеві (Ben-Gurion University of the Negev, Israel) під керівництвом доктора Аліни Карабчевської та їхніх колег з Університету ІТМО. Їхня робота опублікована в журналі Nanomaterials.
"У нашій роботі ми пропонуємо наступний дизайн - на підкладці з прозорого діелектрика, наприклад, боросилікатного скла, формується періодичний масив золотих нанопараллепіпедів. Такі структури можуть бути отримані за допомогою електронно-променевої літографії, - розповідає Дададжанов. - Після цього ми покриваємо підкладку тонким шаром досліджуваної речовини і реєструємо спектр пропускання зразка, який обумовлений спільним збудженням плазмонного резонансу в золотих наночастинках і молекулярних коливань досліджуваної речовини. Золоті нанопараллелепіпеди розрахованої форми мають плазмонний резонанс саме в тій області спектру, в якій знаходяться смуги поглинання досліджуваних молекул. Крім того, поблизу металевої поверхні відбувається додаткове посилення поля. Це підвищує чутливість запропонованого сенсора ".
Дана робота поки є теоретичною - дослідження велися на численних моделях. Наступним етапом стане проведення реальних експериментів зі створення подібних систем в лабораторних умовах.
Матеріал надано прес-службою ІТМО