Как показала последняя работа совместной группы ученых из Великобритании, Германии, Сингапура и Гонконга, металлические нанокластеры, также известные как плазмонные олигомеры, могут использоваться в качестве эффективных резонансных биосенсоров для обнаружения и идентификации одиночных молекул.

К такому выводу ученые пришли в ходе изучения поведения плазмонных пентамеров и квадромеров, которые были функционализированы при помощи монослоев алкантиола нанометровой толщины.

Оказалось, что олигомеры взаимодействуют со светом сильнее, нежели изолированные не связанные между собой наночастицы, благодаря нескольким плазмонным «горячим точкам» (точкам, где значительно усиливается электромагнитное поле) в каждом нанокластере.

Металлические нанокластеры могут быть весьма перспективными для различных технологических применений, т.к. они демонстрируют интересные оптические свойства, к примеру, резонансы Фано и оптическую хиральность.

Они могут использоваться для создания сложных наноразмерных устройств, в частности, инструментов для хранения данных с высокой плотностью, сверхчувствительных биохимических сенсоров и т.п. Оптические свойства этих наноматериалов напрямую связаны с так называемыми локализованными поверхностными плазмонными резонансами, определяющимися коллективным возбуждением электронов проводимости на поверхности металлических наночастиц.

Новую страницу в исследовании этих структур открыла совместная группа ученых из Imperial College London (Великобритания), The Hong Kong Polytechnic University (Гонконг), а также их коллеги из University of Duisburg-Essen (Германия) и National University of Singapore (Сингапур).

Электромагнитное поле, окружающее металлические наночастицы, которые были возбуждены светом с частотой, близкой к частоте их плазмонного резонанса, распространяется лишь на короткие расстояния.

Таким образом, для формирования плазмонных нанокластеров или олигомеров (димеров, триммеров, тетрамеров и т.д.) металлические наночастицы должны быть расположены не далее нескольких десятков нанометров друг от друга (подобно тому, как атомы должны быть расположены близко друг к другу, чтобы образовать молекулы). Каждый тип кластера имеет свой собственный уникальный набор поверхностных плазмонных мод. Отмечено, что объединенные нанокластеры сильнее взаимодействуют со светом, нежели изолированные наночастицы, благодаря формированию нескольких «горячих точек», где электромагнитное поле значительно усиливается.

Чтобы продемонстрировать и изучить описанные явления на практике, научная группа начала с формирования монослоев алкантиола на нанокластеры из золота. После этого были проведены измерения, как частота плазмонного резонанса смещается, в зависимости от количества наночастиц в кластере, их формы и расположения. Своего рода побочным результатом исследований стало выявление зависимости частоты плазмонного резонанса от длины монослоя алкантиола.

Полученные данные показали, что

при увеличении длины молекулы с 0,8 до 2 нм, сдвиг длины волны плазмонного резонанса может достигать 40 нм. Это значительно выше, чем для отдельных (не связанных между собой) наночастиц.

Таким образом, благодаря усиленному взаимодействию со светом и веществом, олигомеры наночастиц могут использоваться для обнаружения одиночных молекул и биомолекул.

Стоит отметить, что

величина смещения длины волны плазмонного резонанса возрастает линейно с длиной молекулы для каждого нанокластера, что весьма удобно для практического применения открытия. Подробные результаты работы опубликованы в журнале ACS Nano.

В данный момент команда занимается дальнейшей оптимизацией структур олигомеров, которые позволили бы обнаруживать всего несколько молекул, адсорбированных на нанокластере.