CC BY
6ВКВ0-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
РАЗРАБОТКА ГКР-ПЛАТФОРМ НА ОСНОВЕ ОДНОМЕРНЫХ СТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАНОЧАСТИЦ ПЛАЗМОННЫХ МЕТАЛЛОВ ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
1 1 2 3 3
Кицюк Е.П. *, Савицкий А.И. , Бондаренко А.В. , Дубков С.В. , Громов Д.Г.
1НПК «Технологический центр», г. Москва, г. Зеленоград 2 Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, г. Минск 3 Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, г. Зеленоград * E-mail: kitsyuk.e@gmail.com DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-120-121
Плазмонные наноструктуры совместно с методами колебательной спектроскопии позволяют изучать строение органических и биологических молекул, а также детектировать предельно низкие концентрации веществ, вплоть до одиночных молекул [1], что практически невозможно в случае применения доступных на настоящий момент техник молекулярного анализа. Сенсоры, работающие на эффекте гигантского комбинационного рассеяния (ГКР), могут быть использованы в таких областях, как медицина, криминалистика, пищевая и химическая промышленности, биологические исследования, экология и др. Стремительно пополняющаяся база накопленных знаний, полученных при изучении патогенов [2, 3] и биомаркеров (клеток, нуклеиновых кислот и белков) различных классов заболеваний при помощи ГКР-структур, позволяют прогнозировать, что использование плазмонных сенсоров будет востребовано в цитологии и создании новых медицинских устройств, например, для диагностики болезней сердечно-сосудистой системы [4], онкологических заболеваний [5] и других.
Проведение ГКР-анализа в большинстве случаев подразумевает собой использование твердотельной поверхности со сформированными на ней наноструктурами из плазмонных металлов (Ag, Au, Cu), на которую наносится анализируемое вещество. При формировании ГКР-платформ существует несколько подходов; один из них предполагает использование методов литографии [6]. Этот метод является наиболее точным. Он позволяет формировать высокоупорядоченные поверхностные нанообъекты с определенными одинаковыми геометрическими размерами. Естественно, такие структуры имеют высокие коэффициенты усиления и наилучшую воспроизводимость результатов измерений. Недостатками таких ГКР-платформ являются высокая трудоемкость изготовления и неизбежно высокая стоимость. Другой подход заключается в формировании наночастиц из растворов химическими методами. Это самый простой и дешевый способ, который к тому же позволяет достаточно хорошо контролировать размер частиц. Однако перенос этих частиц на поверхность твердого тела с образованием массива плохо воспроизводим. Часто частицы бесконтрольно и хаотично скапливаются в агломераты [7], что делает невозможным воспроизведение результатов измерений на таких поверхностях.
Массивы наночастиц на твердотельной поверхности можно также формировать методом термического испарения в вакууме [8]. Частицы в таких массивах имеют различный размер, но их распределение по размеру является гауссовым. Средний размер частиц хорошо контролируется и воспроизводится. Расстояние между частицами также хорошо воспроизводится, но его изменение ограничено, поскольку оно коррелирует с размером частиц (рисунок 1). Этот метод занимает промежуточное положение по сравнению с двумя указанными выше подходами. Он значительно дешевле и менее трудоемок по сравнению с литографическим методом, но обладает большей однородностью и стабильностью по площади структуры, чем химический.
В данной работе рассматривается подход к созданию планарных ГКР-платформ, реализуемых по микроэлектронной технологии, содержащих ГКР-активные массивы наночастиц Ag и Au с нормальным распределением по размерам, «зеркальный» металлический слой и разделительный слой SiO2. Показано, что такая структура усиливает рамановский сигнал как за счет локализованного поверхностного плазмонного резонанса, так и за счет интерференции. Приводится анализ основных факторов, вызывающих усиление сигнала ГКР (средний размер наночастиц, коэффициент отражения зеркальных слоев, толщина слоя SiO2).
ВКВ0-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
Рис. 1. Массивы наночастиц Au со средним размером 7 (а) и 25 (б) нм, полученные методом вакуум-
термического испарения
Также рассматривается подход к созданию ГКР-структур на основе самоупорядоченных одномерных материалов (на примере наностержней ZnO, углеродных нанотрубок), используемых в качестве матриц, задающих расположение частиц для формирования «горячих точек» между наночастицами Ag, полученных методов вакуум-термического испарения (рисунок 2). Проведено сравнение полученных структур с планарными ГКР-платформами.
Рис. 2. ГКР-структуры на основе наностержней ZnO (а) и массива УНТ (б), модифицированные наночастицами Ag, полученные методом вакуум-термического испарения
С использованием изготовленных ГКР-структур проведены измерения на примере раствора триметиламин оксида (ТМАО) малой концентрации на длинах волн возбуждающего излучения 532 нм и 785 нм для установления связей C-H, C-N и C-N-O в ТМАО. Дополнительно проведено исследование влияния обработки 3,5 масс. % раствором HCl на регистрируемые спектры ГКР. Изготовленные структуры позволили детектировать концентрация вещества Ы0"6 М.
Исследования проводились при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (FNRM-2021 -0002).
Литература
1. Kneipp K., et al, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997)
2. Usman M., et al, J Adv. Res. (2022)
3. Zhao H, et al, Int. JMol.Sci. 23, 7340 (2022)
4. Mabbott S., et al, Analyst 145, 983-991 (2020)
5. Guerrini L., Alvarez-Puebla R, Cancers 11, 748 (2019)
6. Cinel N., et al, Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications 15, 109-115 (2015)
7. Pham T., et al, Appl. Nanosci. 10, 703-714 (2019)
8. Gromov D., et al, Appl. Phys. A 118, 1297-1303 (2015)
