​Ученые Томского политехнического университета и их коллеги из Германии предложили новый метод сравнения металлов, который помогает более качественно и точно, чем все существующие сегодня технологии, определить, какой из них лучше подходит для создания сенсоров, используемых в поверхностно-усиленной рамановской спектроскопии. Этот вид спектроскопии применяется в самых различных областях - пищевой промышленности, медицине, материаловедении и криминалистике. Он помогает получить "паспорт" молекулы, который показывает ее химическую структуру. Результаты исследования опубликованы в журнале Sensors and Actuators B: Chemical ( IF 5,401; Q 1).

Авторами исследования стали ученые из Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ, Технологического университета Хемница (Германия) и Штутгартского университета (Германия).

Отметим, спектроскопия - это раздел физики, изучающий спектры электромагнитного излучения. Рамановская спектроскопия - вид спектроскопии, который позволяет исследовать тот или иной материал на молекулярном уровне. Она применяется для молекулярного анализа лекарств, характеристики качеств материалов, контроля механических напряжений в полупроводниках. Также широко разрабатываются подходы для ее применения при проведении судебных экспертиз волокон и тканей, обнаружения загрязнителей в воде, анализа компонентов продуктов питания, выявления раковых заболеваний и проведения кардиологической диагностики сосудов сердца, а также для многих других областей.

В основе метода рамановской спектроскопии лежит способность исследуемых систем (молекул) к неупругому (рамановскому, или комбинационному) рассеянию монохроматического света, что позволяет идентифицировать колебания молекул. Говоря простым языком, молекула освещается лазером, и ученые идентифицируют ее по рассеянному световому сигналу. Таким образом, она и получает свой уникальный "паспорт".

Сверхчувствительность метода обеспечивается специальными наноструктурированными металлическими подложками. И чем активнее они усиливают световой сигнал, исходящий от молекулы, тем качественнее производится ее идентификация.

Правильно подобранный металл имеет важное значение для эффективного усиления оптических сигналов. Метод ученых ТПУ и их коллег помогает наиболее точно определить, какой из металлов лучше всего способен справиться с этой задачей.

В своей научной статье ученые впервые, один к одному, сравнили на чувствительность к световому сигналу четыре металла - медь, алюминий, золото и серебро. Ранее такого сравнения, по словам авторов, никто не проводил.

"Проблема в сложной структуре металла и большом количестве параметров, которые необходимо учитывать при проведении такого сравнительного анализа. Нужно учитывать свойства металлической наноструктуры, с помощью которой проводится анализ, а также расположение и свойства молекул, которые мы детектируем. Во многих экспериментах сложно все эти параметры контролировать одновременно, - объясняет Рауль Родригес, профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ. - Сейчас для приблизительного сравнения подложек используют параметр, который называется коэффициентом усиления. Он показывает, насколько мы улучшили эффективность метода анализа. Для его расчета нужно точно контролировать, сколько молекул испытали на себе эффект усиления оптического сигнала. Говоря простым языком, стали светиться ярче. Для этого традиционно проводятся оценки количества молекул, которые невозможно проверить экспериментально".

Ведь испытывают этот эффект не все молекулы, а лишь те, что попадают в области усиления - определенные нанообласти на поверхности металла - их называют "горячими точками". Следовательно, нельзя точно сказать, какая именно часть молекул испытала на себе эффект усиления оптического сигнала. Из-за этого можно ошибиться в расчетах, и коэффициент усиления будет отличаться от реального в сто, а то и в тысячу раз.

"Мы максимально контролируем все параметры для разных металлов: размер "горячих точек", количество молекул. Более того, молекулы осаждаются на поверхность "сухим" методом, что не позволяет им активно перемещаться по поверхности, - описывает технологию Рауль Родригес. - На подложки из кремния сверху наносится монослой наносфер из полистерола, поверх образованной наноструктуры осаждают металл. В результате получается волнистая металлическая поверхность. Затем на эту поверхность осаждаются те молекулы, которые нужно обнаружить. Причем, на подложке из любого металла они распределяются одинаково, попадая в том числе и в "горячие точки". Далее мы подсвечиваем молекулы с помощью лазера и измеряем исходящий от них рассеянный сигнал, который мы можем сравнивать напрямую, избегая любых ненадежных оценок".

Проведя этим методом сравнение меди, алюминия, золота и серебра, ученые выявили что медь и алюминий дают усиление, по меньшей мере сравнимое с золотом и серебром, считающимися самыми чувствительными металлами. Кроме того, чувствительность таких подложек даже выше, чем у более дорогих коммерческих.

"Аллюминий и медь сегодня достаточно широко используются в микроэлектронике как раз за счет высокой проводимости и низкой стоимости. Все технологии отработаны именно для этих металлов. Нам удалось показать, что и в области рамановской спектроскопии эти материалы перспективны, а значит, эту технологию можно существенно удешевить", - заключает Рауль Родригес.