НАНООПТИЧЕСКИЙ ПЛАЗМОННЫЙ ЧИП ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ВЕЩЕСТВ ИЛИ МОЛЕКУЛ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ, ПИЩЕ И БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
NANOOPTICAL PLASMON CHIP FOR DETECTING SUBSTANCES OR MOLECULES IN THE ENVIRONMENT, FOOD AND BIOLOGICAL SYSTEMS

Область техники, к которой относится изобретение
Заявленное изобретение относится к структуре портативного нанооптического чипа, основанного на принципе генерирования плазмонов и на модификации поверхности плазмонных наночастиц. Нанооптический чип детектирует очень низкие концентрации веществ/молекул в окружающей среде (воде, воздухе, почве), пище и биологических системах.
Описание предшествующего уровня техники
Плазмоны представляют собой колебания электронной плазмы, возбуждаемые светом на металлических наночастицах; в результате возбуждения на поверхности наночастиц генерируется значительно усиленное электромагнитное поле (ЭП). Поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия (SERS) представляет собой технологию, основанную на значительном усилении ЭП на металлических наноструктурах и последующем увеличении интенсивности рамановского сигнала. Такой усиленный рамановский сигнал преображает рамановскую спектроскопию из структурно-аналитического метода в структурно-чувствительный нанозонд, выполненный с возможностью детектирования очень низкой концентрации молекул вплоть до одномолекулярного уровня.
В настоящее время SERS является единственным вариантом одномолекулярного детектирования с одновременным анализом химической структуры. Технически, SERS основан на существовании так называемых «горячих точек» (ГТ), обнаруживаемых в структуре наночастиц плазмы. Выявляют два различных типа ГТ: а) промежутки между металлическими наночастицами и б) пики поверхности наночастиц, проявляющие высокую кривизну поверхности. В обоих случаях ЭП значительно усиливается за счет света возбуждения. Таким образом, усиленное ЭП значительно увеличивает рамановский сигнал от молекул, обнаруживаемых в этих ГТ.
Раскрытие сущности изобретения
Описание нанооптического чипа: поверхность плазмонных наночастиц, созданная физическими способами, такими как импульсное лазерное осаждение, функционализированное специфическими молекулярными линкерами и осаждением дополнительного слоя/слоев наночастиц различных форм.
1. Поверхность плазмонных наночастиц: Поверхность плазмонных наночастиц разработанного чипа состоит из плазмонных наночастиц (НЧ), осажденных на подложку, что обеспечено физическими способами, например, способом импульсного лазерного осаждения (PLD). Такие способы обеспечивают однородное распределение НЧ, а также выбранное расстояние между отдельными НЧ на подложке; например, при использовании способа PLD это обеспечивается посредством регулирования мощности и частоты лазера, который определяет количество создаваемых ГТ, а, следовательно, и чувствительность чипа.
2. Функционализация поверхности плазмонных наночастиц: Функционализация поверхности плазмонных наночастиц молекулярными линкерами увеличивает сродство поверхности к молекулам, подлежащим детектированию. Такую функционализацию осуществляют посредством следующих линкеров:
а) кавитандные линкеры (КЛ), способные связывать специфические молекулы посредством механизма включения, обусловленного существованием внутренних полостей в этих молекулах. Функционализация поверхностей плазмонных наночастиц этими кавитандами требует использования специфических молекулярных групп для обеспечения их взаимодействия с поверхностью плазмонных наночастиц;
б) бифункциональные линкеры (BL). Бифункциональные линкеры используются для присоединения НЧ с подходящими расстояниями или промежутками между НЧ, что приводит к созданию ГТ в промежутке между отдельными наночастицами. Эти молекулярные линкеры также обеспечивают подходящую среду для связывания большого количества гидрофобных молекул, подлежащих детектированию. Использование бифункциональных молекул также обеспечивает возможность создания второго и дополнительного слоев НЧ, что приводит к формированию дополнительных ГТ между слоями НЧ,
c) другие молекулы, обеспечивающие благоприятные условия для избирательного связывания молекул, подлежащих детектированию.
Краткое описание чертежей
На фигуре показано схематическое изображение структуры нанооптического чипа.
Осуществление изобретения
Нанооптический чип объединяет две различные части: поверхность плазмонных наночастиц, состоящую из плазмонных наночастиц, осажденных на подложку, и молекулярную функционализацию поверхности плазмонных наночастиц.
Поверхность 2 плазмонных наночастиц содержит плазмонные наночастицы 5 (НЧ 5), выполненные с соответствующей формой и расстоянием друг от друга и иммобилизованные на подложке 1. В зависимости от типа НЧ 5, осажденных на подложку 1, и расстояния между ними, генерируется оптимальное количество ГТ 4, где ЭП значительно усилено за счет взаимодействия света и плазмонов.
Как избирательность, так и чувствительность создаваемой таким образом поверхности 2 плазмонных наночастиц для детектирования веществ/молекул увеличиваются за счет молекулярной функционализации 3 поверхности 2 плазмонных наночастиц. Наиболее подходящая функционализация обеспечивается посредством следующих линкеров: i) кавитандные линкеры (КЛ), содержащие в своей структуре внутренние полости. Молекулы КЛ связываются непосредственно с поверхностью, и они обеспечивают высокоспецифичное детектирование и связывание молекул, подлежащих детектированию; ii) бифункциональные линкеры (БЛ), содержащие алифатические цепи, или другие молекулы, создающие благоприятные условия для избирательного связывания молекул, подлежащих детектированию.
Последующее увеличение чувствительности и избирательности нанооптического чипа заключается в возможности присоединения второго слоя НЧ 5 с различной морфологией (формой), таких как круглых НЧ, пирамидальных НЧ, звездообразных НЧ, к первичной функционализированной поверхности 2 плазмонных наночастиц. Цель состоит в том, чтобы увеличить размер поверхности, доступной для связывания веществ/молекул, подлежащих детектированию, с одновременным увеличением количества ГТ в нанооптическом чипе. Кроме того, функционализация второго слоя НЧ 5 обеспечивает благоприятные условия для связывания других молекул, подлежащих детектированию.
Промышленная применимость
Нанооптические чипы выполнены с возможностью детектирования веществ/молекул в окружающей среде (воде, воздухе, почве), пище и биологических системах. Детектирование и идентификация этих веществ/молекул признаннами способами (масс-спектрометрия или газовая хроматография) является времязатратным и дорогим. По сравнению с признанными способами (масс-спектрометрия или газовая хроматография) детектирование веществ/молекул посредством нанооптических чипов дешевле, быстрее, обладает большей чувствительностью и может осуществляться на месте (без необходимости предварительной обработки образцов в лаборатории).
Перечень сокращений:
ЭП Электромагнитное поле
SERS Поверхностно-усиленная рамановская спектроскопия
ГТ Горячие точки (области высокой интенсивности ЭП)
PLD Импульсное лазерное осаждение
НП плазмонные наночастицы
БЛ Бифункциональные линкеры
КЛ Кавитандные линкеры