Российские ученые доказали возможность детектирования и идентификации химических соединений в сверхнизких концентрациях за счет эффекта экстремально высокого усиления комбинационного рассеяния света веществом на металлических наноструктурированных метаповерхностях. Поверхности были изготовлены с использованием оригинального метода синтеза в порах полимерных трековых мембран.

Статья опубликована в журнале Applied Sciences.

Ученые из лаборатории физики перспективных материалов и наноструктур МПГУ, ФИЦ «Кристаллография и фотоника» и других НИИ работают над оригинальной методикой шаблонного синтеза SERS-активных (Surface Enhanced Raman Scattering — поверхностно усиленное комбинационное рассеяние света) метаповерхностей для высокочувствительного спектрального анализа органических соединений, веществ, наноструктур и объектов.

Спектры комбинационного рассеяния однозначно характеризуют анализируемое вещество за счет детектирования набора уникальных пиков. Однако низкая эффективность этого процесса затрудняет его использование для анализа вещества в сверхнизких концентрациях. Решение этой проблемы ученые ищут в создании специальных структур, усиливающих сигнал.

«В нашем случае синтезируемые поверхности представляют собой массивы металлических нанопроволок, выращенных в протравленных порах полимерных ядерных трековых мембран», — рассказала соавтор работы Елизавета Кожина.

Технология шаблонного синтеза позволяет изготавливать SERS-активные подложки большой площади при минимальных затратах, а использование в качестве основы трековой мембраны позволяет варьировать параметры нанопроволок, оптимизируя подложки для конкретных научных задач.

Высокоэффективное усиление сигнала комбинационного рассеяния света происходит в условиях плазмонного резонанса, когда материал и размеры металлических острий оптимально подобраны под диапазон длин волн возбуждающего лазерного излучения. Ученые рассчитывали эти характеристики с использованием методов численного моделирования параметров электромагнитного поля.

Кроме того, ученые обнаружили эффект формирования «горячих точек» в нанометровых зазорах между слипающимися остриями нанопроволок. Расчеты показали, что усиление сигнала рассеяния от молекул, помещенных в такие точки, может достигать значений 10⁷–10⁸.

Исследователи также впервые оптимизировали длину нанопроволок для эффективного формирования «горячих точек» с высокоинтенсивными локальными полями и проверили работоспособность SERS-метаповерхностей в реальном эксперименте.

Чрезвычайно высокая эффективность усиления сигнала комбинационного рассеяния позволяет использовать SERS-метаповерхности для обнаружения сверхнизких концентраций различных химических и биологических соединений вплоть до одиночных молекул, что представляет собой актуальное направление для химии, нанотехнологий, фармацевтики, медицины, криминалистики и других приложений.

Относительно простая технология изготовления и хранения таких структур перспективна для создания коммерческой линейки подложек, которые эффективно работают в разных диапазонах длин волн. Все это существенно упростит процедуру оперативного качественного анализа химических веществ и биомедицинских анализов.

Автор: Алексей Паевский