ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ № 11 Прикладная наноплазмоника II

1. ОПТИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИЛЕКЦИЯ№11Прикладная наноплазмоникаII Астапенко В.А., д.ф.-м.н.

2. Рамановская спектроскопия Рамановская спектроскопия позволяет получать информацию о строении молекул посредством регистрации спектров излучения, рассеянного молекулами, когда Спектр рамановского рассеяния излучения на молекулах содержит максимумы, отвечающие возбуждению в ходе рассеяния различных колебательных мод, имеющих собственные частоты Рассеяние излучения с уменьшением частоты называется стоксовым, в противоположном случае рассеяние называется антистоксовым.

3. Применение рамановского рассеяния • Колебательные моды, проявляющиеся в рамановском рассеянии называются рамановски активными. • Таким образом, регистрируя рамановский спектр рассеяния, можно определить частоты рамановски активных колебаний. • Данная информация, называемая отпечатками пальца молекулы (molecular fingerprint), важна для определения строения и идентификации молекул, а также позволяет судить об изменении молекулярных свойств в результате различного рода воздействий.

4. Поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия • Рамановское рассеяние – исключительно слабый эффект. Его сечение на 14–15 порядков меньше сечения фотолюминесценции молекул красителя. • Поэтому для регистрации рамановских спектров очень важна возможность усиления регистрируемого сигнала за счет возбуждения поверхностных плазмонов. • Это явление, называемое поверхностно-усиленным рамановским рассеянием (Surface Enhanced Raman Scattering – SERS), было открыто в работе [Fleishmann M., Hendra P.J., McQuillan A.J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode // Chem. Phys. Lett. – 1974. V. 26. P. 163–166. ]. • В цитируемой статье наблюдалось усиление в миллион раз сигнала рамановского рассеяния от молекулы пиридина (химическая формула C5H5N) при ее размещении на поверхности зернистого серебра по сравнению со случаем, когда та же молекула находилась на стеклянной подложке.

5. SERS одиночных молекул Оптическое детектирование и спектроскопия одиночных молекул методом SERS была осуществлена при комнатной температуре в работе [Nie S., Emory S.R. Probing single molecules and single nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering // Science. – 1997. V. 275. P. 1102–1106. ]. Достигнутое в цитируемой статье усиление рамановского сигнала от одиночных молекул красителя Родамин 6Ж (химическая формула C28H31ClN2O3), адсорбированных на серебряных наночастицах, составило 1014 – 1015. Гигантское усиление привело к тому, что рамановские сигналы от молекулярных колебаний оказались более интенсивными и стабильными по сравнению с флуоресценцией молекул.

6. SERS-спектры молекулы Родамин 6Ж, полученные с помощью рассеяния линейно поляризованного лазерного излучения на двух серебряных наночастицах. Пики на приведенных графиках вблизи частот 1657, 1578, 1514, 1365, 1310 и 1184 см–1 (левый график) отвечают возбуждению полносимметричных колебаний, в ходе которых происходит растяжение C–C связей в молекуле красителя.

7. McFarland A.D., Young M.A., Dieringer J.A. et al. Wavelength-scanned surface-enhanced Raman excitation spectroscopy // J. Phys. Chem. B – 2005. V. 109. P. 11279–11285. Спектр возбуждения рамановского рассеяния на молекуле бензолтиола для колебательной моды 1081 см–1 (кружки, правая кривая – фиттинг) и спектр экстинкции излучения на массиве серебряных наносфер (левая кривая)

8. Биомедицинские применения SERS • Биомедицинские применения SERS весьма популярны в настоящее время, поскольку с их помощью можно получить значительную информацию напрямую (без предварительного приготовления образца) из сложной среды, такой, как биологические жидкости, живые ткани и клетки. • Рамановский сигнал чувствителен к малым изменениям в макромолекулах, обладает высоким пространственным разрешением, возможностью неинвазивного (бесконтактного) воздействия на образец. • В контрасте с инфракрасной спектроскопией сечение рамановского рассеяния от молекул воды мало, что позволяет с помощью SERS получать информацию о колебательных характеристиках биологических молекул в их естественной водной среде, с высокой эффективностью дискриминируя полезный сигнал от фона. • Высокая чувствительность, узкая ширина спектральной линии, возможность тушения флуоресценции делают SERS удобным инструментом для анализа нуклеиновых кислот, генетики и протеомики, медицинской диагностики, обнаружения и идентификации взрывчатых и отравляющих веществ.

9. Спора Bacillus antharcis (а) без и (b) с покрытием из серебряных наночастиц Поверхностно-усиленное рамановское рассеяние является эффективным методом идентификации микроорганизмов в сложных смесях. С этой целью в образец с микроорганизмами добавляют коллоидальную суспензию металлических наночастиц, которые прикрепляются к стенкам бактерии . Бактерия идентифицируется по рамановскому спектру, отражающему состав ее мембраны.

10. Методы реализации SERS • К настоящему времени большинство внутриклеточных применений SERS связано с инкорпорированием металлических наночастиц внутрь микроорганизма обычно путем их добавления прямо в растущую среду. • Однако такая техника дает возможность получить только ограниченное количество информации, поскольку частицы в основном аккумулируются в ядерной мембране. • Поэтому требуются альтернативные методы реализации SERS, использующие функционализацию наночастиц с помощью соответствующих биоинтерфейсов или SERS-кодирование наночастиц. • Кодированные частицы представляют собой меченые материалы, напрямую связанные с биоинтерфейсом и сообщающие ему специфический идентификатор распознаваемого явления. • Такая схема детектирования может быть названа непрямой, поскольку сигнал возникает не в анализируемом объекте, но в меченом материале.

11. Мечение наночастиц для SERS анализа[Qin L., Banholzer M.J., Millstone J.E. et al. Nanodisk codes // NanoLett. – 2007. V. 7. P. 3849–3853]. На рис. а (1) показан наностержень из золота и никеля, который использовался как заготовка для изготовления массива нанодисков с помощью технологии «литографии на проволоке». На рисунке а (4–6) показаны три возможных типа функционализации массива дисков для проведения SERS-спектроскопии: (4) прикрепление молекулы красителя к золотому нанодиску, (5) прикрепление к нанодиску трех звеньев молекул ДНК (дисковой, целевой и сигнальной), (6) то же, что в случае (5) с золотой наночастицей. Схема кодировки с помощью нанодисков

12. Мультиплексирование для двух реализаций трехцепочной сандвичевой схемы, когда сигнальной молекулой является краситель Cy5 и краситель TAMRA, детектирования целевой молекулы ДНК с помощью SERS-спектроскопии Схема заключается в последовательном соединении трех звеньев различных ДНК. Прикрепленная к золотому диску (дисковая) ДНК содержит звено, комплиментарное к половине звена целевой ДНК. Комплиментарность предполагает возможность конъюгации звеньев различных ДНК, т.е. их соединение. Под целевой ДНК понимается ДНК, подлежащая идентификации. Вторая половина звена целевой ДНК комплиментарна звену сигнальной ДНК, содержащему молекулу красителя, которая служит источником рамановского сигнала. Таким образом, схема идентификации целевой ДНК следующая. Сначала к дисковой ДНК присоединяется целевая ДНК, затем к целевой ДНК присоединяется сигнальная ДНК, при облучении которой лазерным излучением возникает сигнал SERS, в результате возбуждения молекулы красителя и поверхностных плазмонов на золотом диске. Под мультиплексированием понимается увеличение плотности информационного канала. В данном случае это увеличение достигается за счет совмещения канала SERS-кодирования и канала двоичной записи информации.

13. 2D- и 3D-изображение массива нанодисков с двоичной записью 11111, полученное с помощью рамановского сканирующего микроскопа. • Ниже приведен рамановский спектр молекулы красителя MB, зарегистрированный из «горячего пятна» (hot spot) центральной дисковой пары. • «Горячим пятном» в SERS-спектроскопии называется пространственная область с максимальным фактором усиления рамановского сигнала. 13 возможных пятипарных наборов золотых дисков с соответствующими бинарными кодами

14. SERS спектроскопия в протеомике(исследования, посвященные болезни Альцгеймера) В статье [Chou I-H., Benford M., Beier H.T. et al. Nanofluidic biosensing for amyloid detection using surface enhanced Raman spectroscopy // Nano Letters – 2008. V. 8. P. 1729–1735] был разработан биосенсор для наблюдения -амилоид-пептида (А) в процессе его конформационного перехода из -геликальной структуры в -листовую (постадийное детектирование этого процесса важно для понимания болезни Альцгеймера), а также для выделения А-пептида из множества сходных протеинов, обычно присутствующих в спинно-мозговой жидкости. Пептиды – семейство веществ, молекулы которых состоят из остатков -аминокислот. А-пептид – естественный побочный продукт расщепления исходного амилоидного протеина в клеточной мембране.

15. Наножидкостный биосенсор для наблюдения -амилоид-пептида Основная идея прибора состоит в агрегации золотых наночастиц, поступающих из резервуара в наноканал шириной 40 нм. Поскольку диаметр наночастиц составляет 60 нм, они скапливаются вблизи входа в канал в области детектирования, в который также поступают целевые молекулы. Таким образом, создается зона усиления рамановского сигнала от этих молекул вследствие возбуждения плазмонного резонанса на агломерации наночастиц.

16. При низкой концентрации А-пептида (11.5 pM) наблюдались рамановские линии, ассоциированные с боковыми ароматическими звеньями молекулы при 1000, 1187 и 1488 см–1. При большей концентрации А-пептида (1.15 nM) интенсивность полосы 1266 см–1 уменьшилась, при этом появилась новая рамановская линия на частоте 1244 см–1. «Красный» сдвиг линии 1266 см–1, приписываемой к R-геликоидальной структуре, на колебательную частоту 1244 см–1 свидетельствует о конформационном переходе пептида в -листовую структуру. С помощью разработанного биосенсора показана возможность SERS-детектирования А пептида в присутствии схожих протеинов, таких как инсулин и альбумин. Способность жидкостного нанобиосенсора к дискриминации различных конформационных форм А-пептида облегчает возможность отделения его безвредных конформаций от более токсичных -листовых модификаций. SERS-спектры при различных концентрациях А-пептида: (a)11.5 pM, (b) 1.15 nM и (c) 11.5 nM

17. Спазеры Лазер – аббревиатура английского словосочетания: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation по-русски «усиление света за счет стимулированного испускания излучения». Spaser – аббревиатура английского словосочетания Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Излучение спазера состоит из поверхностных плазмонов, которые в отличие от фотонов могут быть локализованы в нанометровом пространственном объеме, что важно для нанотехнологических применений, в частности, для ближнеполевого нелинейно-оптического зондирования.

18. Реализация спазера, предложенная в работе[Stockman M.I. Spasers explained // Nature Photonics – 2008. V. 2. P. 327–329] Механизм работы спазера: а) схема спазера, b) уровни энергии и переходы в спазере

19. В предложеннойсхеме поверхностные плазмоны возбуждаются в сферической серебряной оболочке, нанесенной на диэлектрическое ядро. Примерный радиус серебряной оболочки составляет от 10 до 20 нм, а ее толщина порядка 1–2 нм. Плазмонный резонанс в металлической оболочке за счет изменения ее толщины может быть существенно сдвинут в длинноволновую область по сравнению со случаем однородной металлической наночастицы. Этот сдвиг составляет несколько сотен нанометров (по шкале длин волн), что на порядок превышает аналогичный сдвиг в сплошной наносфере за счет изменения ее радиуса или диэлектрического окружения. Сдвиг плазмонного резонанса в видимую и ближнюю инфракрасную область спектра крайне важен для возможных технологических применений спазеров. Квантовые точки (полупроводниковые нанокристаллы), составляющие активную среду, двумя плотными монослоями покрывают поверхность оболочки, играющей роль резонатора спазера

20. На рис. b показан случай, когда энергия перехода в экситоне равняется энергии плазмонного резонанса на поверхности серебряной нанооболочки. Тогда оказывается возможным трансформировать безызлучательным образом энергию экситонного возбуждения в энергию поверхностного плазмона. Заметим, что вероятность данного процесса на несколько порядков величины больше, чем вероятность испускания фотона в ходе рекомбинации экситона. Таким образом, в результате безызлучательной передачи энергии от экситона к металлической наносфере генерируется поверхностный плазмон. Важно, что эта генерация может носить характер вынужденного испускания в заданную плазмонную моду, когда свойства возникшего плазмона тождественны свойствам плазмонов данной моды, уже имевшихся на металлической поверхности. В результате формируется высокоинтенсивное локализованное в пространстве поле спазера, представляющее собой когерентную суперпозицию полей отельных поверхностных плазмонов.

21. Амплитуда электрического поля поверхностного плазмона при возбуждении двух различных мод спазера на поверхности серебряной нанооболочки. Размер пространственной локализации электрического поля в спазере существенно (на полтора порядка) меньше длины волны излучения на частоте плазмонного колебания, лежащей в оптическом диапазоне. Таким образом, в спазере осуществляется наноразмерная концентрация электрического поля оптической частоты, чего невозможно добиться в традиционном лазере, размер резонатора которого должен быть сравним с длиной волны оптического излучения, т.е. составляет сотни нанометров в минимально возможном случае.