Сухая печать золотом позволила создать высокочувствительный экспресс-анализатор

Рамановская спектроскопия выявляет тип молекул по колебательному спектру: они поглощают энергию падающего света, моментально переизлучая его на других, весьма специфических частотах. Разность частот регистрируется в виде спектра. Можно увеличить чувствительность метода, если нанести исследуемое вещество на покрытую металлическими наночастицами подложку. Такая техника называется поверхностно-усиленной рамановской спектроскопией (англ. SERS — Surface enhanced Raman spectroscopy), и в ее основе лежит явление плазмонного резонанса. В этом методе сигнал неупруго рассеивается анализируемым веществом и усиливается окружающими наночастицами, образующими плазмонную наноструктуру.

Обычные способы создания плазмонных наноструктур, такие как электронная литография и осаждение вещества из паровой или жидкой фазы, могут загрязнять поверхность подложки, а это чревато появлением шумов на спектрах. Физики из МФТИ предложили альтернативный метод — сухую аэрозольную печать. На подложку наносятся наночастицы металла, полученные в газоразрядной камере. При этом можно легко управлять синтезом наночастиц, изменять их размеры, количество, а также не нужно применять никакие вспомогательные вещества. В новой работе авторы использовали несколько способов модификации синтезированных таким образом золотых наночастиц, чтобы оценить, как это повлияет на интенсивность сигнала SERS.

При нанесении на подложку оксида алюминия наночастицы собирались в агломераты, что, как предположили физики, может серьезно влиять на интенсивность рамановского рассеяния. Чтобы это выяснить, они изготовили несколько серий подложек разной степени наноструктурированности, а затем апробировали их при определении концентрации органического красителя метиленового синего. В первом типе структур никаких дополнительных манипуляций с наночастицами не производили, во втором наночастицы подвергались термической обработке, в третьем — воздействию импульсным лазерным излучением разной плотности энергии. В последних двух способах образуются как агломераты, так и отдельные наночастицы, однако в случае лазерной модификации максимальной мощности (с плотностью энергии 12 мДж/см2) общее количество отдельных наночастиц больше. Именно на таких структурах авторы отметили и наибольшее усиление рамановского сигнала.

Соотношение числа агломератов и отдельных наночастиц в составе наноструктуры играет ключевую роль в усилении сигнала SERS ввиду способности отдельных наночастиц демонстрировать сильную локализацию поля. Таким образом, меняя параметры синтеза, можно влиять на размерные характеристики конечных наночастиц и создавать нанообъекты определенной формы для эффективного резонансного взаимодействия со светом. Физики подобрали оптимальные параметры синтеза наночастиц золота для получения максимального усиления рамановского рассеяния. По сути, им удалось создать платформу для экспресс-тестирования: достаточно капнуть образец на подложку, получить спектр и определить состав.

В дальнейшем ученые планируют адаптировать метод сухой аэрозольной печати для синтеза наночастиц других, более доступных металлов.