нанотехнологии

Разработка биосенсоров на основе плазмонных наноматериалов для детектирования единичных молекул в жидких средах

Проблема и актуальность

На современном этапе развития сенсорных технологий, когда различные датчики и чувствительные системы пронизывают нашу жизнь, все более актуальной становится задача быстрого детектирования различных веществ в предельно низких концентрациях в жидких средах. Анализ , сделанный методом рамановской спектроскопии позволяет с уверенностью делать выводы о составе молекулы и о её конформации, но он не способен работать на низких концентрациях. В ходе нашего проекта, мы разработали SERS- подложки, которые позволяют детектировать с помощью рамановской спектроскопии даже единичные молекулы. Это может позволить существенно расширить возможности анализа в области медицины, криминалистики, оценки качества продуктов питания и экологии.

Как это работает и кто такие SERS?

Рамановский спектр – это спектр, полученный в результате неупругого взаимодействия молекулы с фотоном падающего излучения. Рамановская спектроскопия имеет ограничение - низкая чувствительность. На эту проблему есть решение!

SERS – подложки усиливают сигнал, понижая предел детектирования.
Принцип рамановского рассеяния света:

Молекула находится на виртуальном уровне. При попадании на неё фотона она переходит на виртуальный возбуждённый уровень. Дальше у неё есть несколько выходов. Если она возвращается на тот же уровень, то это упругое рассеивание (рэлеевское) при этом не происходит изменение энергии. Либо молекула может принимать или отдавать энергию, переходя на другие уровни. Если молекула принимает энергию, то это стоксовая компонента, если отдаёт – антистоксовая. При этом стоксовая компонента более интенсивная, чем антистоксовая, поэтому на спектре мы видим именно её.

SERS – подложка (от англ. - surface enhanced Raman scattering), то есть подложка, обладающая поверхносто -усиленным рамановским рассеиванием. В составе подложки обязательно должны быть наноструктурированные металлы, так как они обладают плазмонными свойствами, что и усиливает сигнал.
Наше решение
В ходе проекта мы разработали разнообразные уникальные подложки

Подложка - победитель

Образец, проявивший наибольшую SERS- активность: пористый кремний, осаждённый слоями серебра и золота. Данная подложка имеет крайне низкий предел детектирования – 10^-16, что гораздо лучше, чем у существующих аналогов.

А так можно было?

Неплохую активность проявила подложка, на которую производилось химическое осаждение серебра при низких температурах, что не исследовалось ранее.

При этом раствор для осаждения с плавиковой кислотой в дальнейшем показал большую эффективность.

Серебряная сказка

Также мы осадили серебро на макропористый кремний другим способом – химическое осаждение из реактива Толленса. Данная подложка проявила хорошую активность.

Дерево в кармане

Ещё мы получили подложку с дендритами серебра, что также усиливало SERS – свойства.

Бывали плохие дни...

В качестве основы для SERS – подложек, кроме пористого кремния мы попробовали использовать алюминиевую и медную фольгу, а также листы графита. На алюминиевую фольгу мы осаждали серебро, а также серебро в сочетании с медью. На медную фольгу мы осаждали серебро. Но ни данные образцы, ни подложки на основе листов графита не продемонстрировали SERS активность.

А что, если всё сразу?

Кроме того: на пористый кремний мы осадили 3 металла: серебро, медь и золото, но данный образец не показал достаточную активность.

Тест-драйв
Лучшие образцы использовались для решения реальных задач – исследования аналитических растворов, содержание веществ в которых крайне мало.

А бактерии тоже любят сок?

Мы провели бактериологический посев свежевыжатого и упакованного сока из разных фракций. А также параллельно был создан контрольный образец без сока. В чашках Петри на соке выросли колонии бактерий. Но на этом всё не закончилось...

Похоже, что любят...

Мы сравнили спектры бактерий и раствора сока. Оказалось, что некоторые пики совпадают. Получается, что в соке есть бактерии.

Теперь живите с этим.

Команда
Анастасия Григорьева
участник проекта
Андрей Чеменев
участник проекта
София Яранцева
участник проекта
Валентина Джиоева
участник проекта
Маргарита Юхновец
участник проекта
Анна Бондаренко
наставник
Ксения Гирель
наставник
Роман Спектрский
приглашённый специалист

Направление «Нанотехнологии»
контакты
nanocrotiki@mail.ru

© Большие вызовы — 2021