Специалисты Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали методику изготовления подложек для SERS-датчиков на основе наночастиц и поверхностных наноостровковых пленок серебра. Разработанные подложки могут использоваться как платформа для обнаружения химических, биологических и токсичных примесей в системах безопасности, экологического мониторинга, фармакологии, биологии и химии, например, для обнаружения пестицидов в пищевых продуктах.

SERS (поверхностно усиленное рамановское (комбинационное) рассеяние) — широко распространенный метод высокочувствительного анализа химического состава вещества и обнаружения биологических объектов. Усиление сигнала комбинационного рассеяния металлическими наночастицами связано с увеличением локального электрического поля световой волны вблизи металлических наноструктур, используемых в качестве подложек для SERS. Подложки должны демонстрировать однородность структур, высокую воспроизводимость, иметь длительный срок хранения, а также большую площадь SERS-активной области, и при этом – низкую себестоимость и возможность массового производства.

Исследователи лаборатории «Многофункциональные стеклообразные материалы» НЦМУ «Передовые цифровые технологии» СПбПУ разработали методику изготовления подложек для SERS-датчиков на основе наноостровковых пленок серебра, формируемых на поверхности стекла. Наночастицы растут в объеме стекла при термическом или лазерном нагреве образца, содержащего ионы серебра, и при выходе на поверхность образуют наноостровковую пленку. SERS-активность серебряных наноостровковых пленок была подтверждена при исследовании красителей (изомеры азобензола, родамин, пиридин); белков (бактериородопсин); аминокислот (аланин, серин, валин); антител/антигенов (нуклеопротеин коронавируса и моноклональные антитела).

Методика соответствует всем требованиям, предъявляемым к SERS-подложкам. Разработанные учеными НЦМУ СПбПУ структуры позволяют осуществлять идентификацию веществ в количестве вплоть до нескольких молекул за счет усиления рамановского сигнала от анализируемого вещества в миллион и более раз, они превосходят аналоги по размерам активной области и стабильности сигнала. Кроме того, полностью импортонезависимая уникальная технология исследователей Петербургского Политеха позволяет изготавливать SERS-подложки существенно (более, чем в 10 раз) дешевле, чем существующие сегодня на рынке аналоги.

Также ученые лаборатории «Многофункциональные стеклообразные материалы» провели исследование влияния атмосферы на морфологические и оптические характеристики серебряных наноостровковых пленок и нашли способ защиты островковых пленок от агрессивных сред. В частности, исследователи изучили два метода защиты подложек от воздействия внешней среды: 1) покрытие подложек биосовместимой полимерной пленкой, 2) использование стеклянной матрицы, в которой растут наночастицы, в качестве «естественной» защиты от внешних факторов.

Исследования показали, что полимерная пленка не является надежной защитой плазмонных наноструктур от деградации и, кроме того, снижает эффективность диагностики. Использование стеклянной матрицы, в которой растут наночастицы, в качестве естественной защиты от внешних факторов демонстрирует высокую стабильность – ни оптические, ни морфологические характеристики наночастиц не деградировали после длительного (восемь месяцев) хранения.

«Высокая стабильность наночастиц связана с уникальностью методики их формирования. Наночастицы покрыты тонким слоем стекла и, таким образом, защищены от окисления и сульфидизации. После удаления верхнего слоя стекла частицы могут быть использованы для усиления комбинационного рассеяния. При этом даже после длительного хранения образцов порядок усиления остается на уровне 10⁵-10⁶. Низкая подвижность/растворимость серебра в стекле препятствует агломерации/растворению наночастиц и, соответственно, изменения пространственного распределения наночастиц в стекле после длительного хранения не наблюдается», – объясняет кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИЛ «Многофункциональные стеклообразные материалы» Екатерина Бабич.

В дальнейшем сотрудники лаборатории НЦМУ СПбПУ планируют исследование подложек для SERS-датчиков с наночастицами из сплава золота и серебра.

«Мы предполагаем, что присутствие инертного металла (золота) повысит стабильность наночастиц, а варьирование режима изготовления позволит контролировать долю серебра в наночастицах и управлять спектральным положением поверхностного плазмонного резонанса – длины волны, на которой разрабатываемые подложки оказываются максимально эффективными для измерений SERS. К тому же, золото хорошо совместимо с биологическими клетками, что позволяет рассчитывать на высокую адгезию клеток к подложке и биосовместимость разрабатываемых структур», – комментирует дальнейшие планы заведующая «Многофункциональные стеклообразные материалы» НЦМУ СПбПУ Валентина Журихина.