Исследователи из США впервые сумели полностью охарактеризовать монослои белка, используя для этого новый тип плазмонных материалов. Разработанные ими оптические структуры, получившие название Ассиметричные Метаматериалы для Резонанса Фано (Fano Resonant Asymmetric Metamaterial, FRAMM), в будущем могут найти широчайшее применение в различных биосенсорах. Возможно, они даже придут на смену громоздким приборам, использующимся в лабораториях сегодня для определения толщины и характеристик слоев белков при помощи спектроскопии и поверхностного плазмонного резонанса.

Наноплазмоника – это новое и весьма перспективное направление исследований, фокусирующееся на изучении металлических наноструктур, которые могут использоваться для изготовления крошечных оптоэлектронных устройств.

Металлические наночастицы сильно взаимодействуют со светом за счет сосредоточенных у их поверхности плазмонов (квазичастиц, описывающих коллективные колебания электронов в металле), выступая в роли достаточно эффективных оптических наноантенн.

Эти «антенны» могут фокусировать свет, длина волны которого много меньше дифракционного предела.

Новая методика биологических исследований, предложенная совместной группой ученых из University of Texas и Boston University (США), предполагает использование этой возможности в ИК-диапазоне с помощью метаматериалов, получивших название FRAMM. Стоит отметить, что инфракрасный диапазон имеет большое значение для практического использования, особенно в биологии, поскольку колебания биомолекул относятся именно к этой части спектра.

Метаматериалы FRAMM имеют ярко выраженный плазмонный резонанс в ИК-диапазоне, который может быть «настроен» на различные колебательные моды молекул белков (например, таких как Амид-I или Амид-II). За счет возникновения в метаматериале интерференции двух волновых процессов, т.е. так называемого резонанса Фано, резонансный пик получается настолько узким, что может быть точно определен с помощью спектроскопии отражений.

Этот резонанс – своего рода «отпечаток пальца» для биологической молекулы, связанной с фрагментом метаматериала, поскольку по измеренной частоте резонанса можно точно определить частоту колебаний, дипольные силы и ориентацию молекулы.

Ученые создали метаматериал на практике, благодаря использованию электронно-лучевой литографии. Перед тем, как метаматериалы были сформированы в лаборатории, их структура моделировалась при помощи специализированного программного обеспечения.

Для проведения измерений белки наносились на поверхность метаматериала в University Photonics Center Бостонского Университета. Детали работы опубликованы в журнале Nature Materials.

Большое преимущество открытия заключается в том, что

созданный метаматериал (фактически, платформа для производства биодатчиков) позволяет проводить сразу два типа измерений, которые раньше требовали двух различных приборов: определение толщины молекулярного слоя белка (обычно эта задача выполняется с помощью поверхностного плазмонного резонанса или эллипсометрических измерений), а также детектирование самого белка (ранее эта задача решалась при помощи Фурье спектроскопии в инфракрасном диапазоне). Возможность совместить два исследовательских прибора в одном открывает ученым путь для изучения сложной динамики белка в режиме реального времени.

Во время экспериментов ученые выполняли свои измерения в воздухе. Теперь они планируют повторить исследования в растворе. Ожидается, что результат потребует немного изменить настройки прибора, но потенциальный выигрыш может быть огромен. Измерения в жидкой среде позволили бы контролировать процессы жизнедеятельности биомолекулярных систем в режиме реального времени.