Рак, патогены в пищевых продуктах, биологические угрозы (в аэропортах) — всё это может быть обнаружено с помощью метода поверхностного усиления рамановского рассеяния (SERS). 

Но для достижения приемлемых уровней чувствительности, которые постоянно повышаются, оптический сигнал от детектируемых молекул нуждается в резком усилении, что требует оптимизации используемых сегодня SERS-сенсоров.

Сотрудники Института материаловедения и инжиниринга A*STAR (Сингапур) создали высокоупорядоченный массив плотноупакованных кластеров наночастиц золота, позволяющий значительно улучшить характеристики SERS-сенсоров.

Схематическое представление нанокластерных SERS-сенсоров на планарной поверхности и на кончике оптоволокна. Красным показаны детектируемые молекулы. (Илл. ACS.)

Так называемое рамановское (комбинационное) рассеяние возникает тогда, когда молекулы рассеивают свет, длина волны которого отличается от длины падающего на образец излучения. Такие молекулы могут быть детектированы с помощью специальных наноструктурных SERS-сенсоров, для чего молекулы помещаются на поверхность металлических наночастиц, которые затем освещаются лазерным источником с определённой длиной волны.

Напомним: поверхностные плазмоны взаимодействуют со светом, обеспечивая эффект поверхностного усиления рамановского рассеяния света. Локализованные плазмоны присутствуют на поверхности наночастиц металлов, таких как серебро и золото. В частности, поверхностный плазмонный резонанс используется в биохимии для определения тех или иных молекул.

Таким образом, идеальная поверхность SERS-сенсора должна, во-первых, обладать плотной упаковкой наноразмерных частиц металла (золота или серебра) для обеспечения эффекта поверхностного усиления рамановского сигнала; во-вторых, быть высокорегулярной для создания повторяющихся уровней сигнала; в-третьих, быть экономичной в конструировании и надёжной в использовании.

Чтобы максимально удовлетворить всем названным требованиям, были получены регулярные наборы плотно упакованных нанокластеров золота. Помимо создания удобных в использовании плоских подложек для размещения кластеров, тем же нанокластерным набором был покрыт кончик оптоволоконного кабеля, что может иметь важное практическое значение при проведении удалённого мониторинга — например, в случае токсичного загрязнения.

Наборы кластеров были получены методом самосборки, с использованием в качестве затравки специальных полимерных частиц, также самоформирующихся на поверхности подложки. Значительно более мелкие золотые частицы спонтанно приклеивались к поверхности затравки, образуя кластеры. Меняя размеры и плотность полимера [полистирол-блок-поли(2-винилпиридин)], исследователи контролировали размер и плотность образующихся золотых кластеров, что в конечном итоге позволило достичь максимально возможного SERS-усиления.

Предложенная техника создания SERS-сенсоров может также похвастаться эффективностью: менее 10 мг полимера и 100 мг золотых наночастиц требуется для покрытия подложки диаметром 10 см или 200 кончиков оптоволоконных кабелей. Полимер и наночастицы золота можно дёшево производить в любых объёмах (цена самого металла — разговор отдельный, хотя она сравнительно невысока). Система является полностью самоорганизующейся и не требует ни специального оборудования, ни созданных на заказ «чистых комнат» — а значит, подходит для коммерческого производства.

Подробнее о разработке новых SERS-сенсоров можно узнать из статьи, опубликованной в журнале ACS Nano.