Российские ученые исследовали различные способы создания SERS-подложек для разработки сверхчувствительных биологических сенсоров. Работа опубликована в журнале Investigation of the Optical Properties.
SERS-подложки применяются в комбинационном (Рамановском) рассеянии — это метод спектроскопии, позволяющий определять состав и строение вещества. SERS-подложки (Surface-enhanced Raman scattering) — это такие системы, которые позволяют усиливать сигнал комбинационного (рамановского) рассеяния. Коэффициент усиления при их применении может доходить до 1016 раз.
В настоящее время SERS-метод является одним из самых чувствительных, неразрушающих и высокоскоростных методов анализа. Разработчики ищут возможности создания новых функциональных гибридных систем для усиления сигнала комбинационного рассеяния света. Высокая чувствительность SERS-метода позволяет исследовать различные соединения в микро и наномолярных количествах.
В настоящем исследовании ученые создали и проанализировали работу 32 типов различных SERS-подложек. Подложки были получены методом иммобилизации наночастиц серебра и золота из коллоидных растворов на поверхность различных субстратов, таких как стекло, кремний и алюминиевая фольга. Экспериментальные данные, а именно спектры SERS, показали, что интенсивность сигнала зависит не только от типа и размера наночастиц и длины волны возбуждающего излучения, но и от материала самой подложки.
«Мы полагаем, что данный эффект обусловлен совокупностью нескольких факторов, таких как материалы подложки, оптические свойства серебра и золота, форма частиц и их взаимное расположение, — рассказал Алексей Субекин, научный сотрудник лаборатории рамановской спектроскопии МФТИ. — Полученные результаты позволяют предположить, что на SERS-подложках с серебряными частицами интенсивность сигнала для различных веществ будет зависеть от комбинации вышеперечисленных факторов и длины волны лазерного излучения».
Рисунок 1. Спектры безразмерного коэффициента поглощения и изображения просвечивающей электронной микроскопии свежеприготовленных коллоидов наночастиц Au со средними размерами (b) 10, (c) 40, (d) 60, (e) 80 и (f) 100 нм. Масштабные линейки соответствуют 100 нм.
Рисунок 2. Спектры безразмерного коэффициента поглощения и изображения в просвечивающей электронной микроскопии свежеприготовленных коллоидов наночастиц Ag со средними размерами (б) 20 (по методу Леопольда–Лендла), (в) 40, (г) 60, (д)80 и (е) 100 нм. Масштабные линейки соответствуют 100 нм.
В ходе экспериментов учеными был достигнут предел обнаружения 4-аминобензентиола в концентрации 10-8 М. Кроме того, ученым удалось создать унифицированную SERS-подложку, которую можно применять с разными типами лазеров для анализа различных аналитов.
«По результатам исследования мы установили, что для работы лазеров с длинами волн возбуждающего излучения 532, 638 и 785 нм возможно создание универсальных SERS-субстратов на основе коллоидных растворов, полученных жидкофазным химическим методом со средним размером частиц серебра 40 нм и методом Леопольда–Лендла со средним размером 20 нм. Дальше планируем рассмотреть другие методы получения SERS-поверхностей и использовать их для разработки высокочувствительных оптических сенсоров для детектирования биологических объектов», — добавил Алексей Субекин.
В работе принимали участие ученые из МФТИ, Саратовского государственного медицинского университета им. В. И. Разумовского, Института физики твердого тела им. А.М. Осипьяна РАН, Института физиологически активных соединений ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН, Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов ФИЦ «Саратовский научный центр» РАН.
Исследование поддержано Российским научным фондом (проект № 19-72-30003).
