CC BY
13
УДК 543.424.2;535.016
УСИЛЕНИЕ ЭФФЕКТА ГИГАНТСКОГО КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ ДИОКСИДА ЦЕРИЯ С ФАСЕТЧАТОЙ СТРУКТУРОЙ
И.Н. Курочкин1, И.А. Рыжиков2, А.К. Сарычев2, К.Н. Афанасьев2, И.А. Будашов1, М.В. Седова2, И.А. Богинская2, С.В. Амитонов3, Е.В. Коростылев,2 А.Н. Лагарьков2
(1химический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова; Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН; е-таИ^агусЪеу_ап^еу@уаЪоо.сот; физический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова)
Исследованы возможности использования нового диэлектрического метаматериала на основе диоксида церия в целях дополнительного усиления сигнала гигантского комбинационного рассеяния и создания нового поколения сенсорных материалов. Созданный метаматериал включает в свой состав пленки диоксида церия с фасетчатой структурой и иммобилизованные на их поверхности плазмонные наночастицы. Достигнуто дополнительное усиление (более чем в 200 раз) сигнала гигантского комбинационного рассеяния. Рассмотрены вопросы применения нового материала для высокочувствительного биохимического и иммунологического анализов.
Ключевые слова: гигантское комбинационное рассеяние, диоксид церия, метаматериалы, фасетчатые структуры, биосенсоры, иммуноанализ.
В последнее десятилетие достаточно четко обозначился положительный тренд в развитии высокочувствительных и одновременно быстродействующих и экономически привлекательных сенсорных систем для определения химических и биологических агентов, влияющих на состояние окружающей среды и безопасное существование человека, животных и растений. В этом отношении весьма привлекательно выглядят достижения в плазмонике, нанотехнологи-ях, создании метаматериалов и оптики, которые при комплексном использовании позволяют существенным образом увеличивать оптический сигнал и тем самым обеспечивать регистрацию даже единичных молекул и молекулярных комплексов.
Многочисленными исследованиями было показано [1-3], что плазмонные наноантенны, состоящие из металлических наночастиц, обладают очень важным свойством концентрировать электромагнитное поле. Кроме того, на сегодняшний день известно, что диэлектрические среды со случайным распределением показателя преломления и неравномерной шероховатой поверхностью обеспечивают неоднородное распределение максимумов интенсивности поля в проходящем и отраженном свете [4]. Эти явления могут быть использованы для увеличения чувствительности линейной и нелинейной спектроскопии. Поскольку сигнал комбинационного рассеяния пропорционален четвертой степени локального электрического поля в
плазмонных метаматериалах, а современные металлические наноантены позволяют получать усиление поля в сто и тысячу раз, можно ожидать, что сигнал комбинационного рассеяния будет усилен в 108-1012 раз [5]. Объединение плазмонных наноантен и диэлектрических сред со случайным распределением показателя преломления и неравномерной шероховатостью позволяет надеяться на дополнительное многократное усиление сигнала комбинационного рассеяния [6]. Изучению возможностей такого типа структур в целях создания высокочувствительных сенсорных систем и посвящена настоящая работа. В представленном исследовании рассмотрено необычное свойство новых материалов на основе фасеточных структур диоксида церия и иммобилизованных на их поверхности наночастиц золота дополнительно усиливать сигнал гигантского комбинационного рассеяния.
Материалы и методы
Для проведения экспериментов использовали следующие реактивы: HEPES фирмы («Carl Roth GmbH», Германия), KI (Уральский завод химреактивов, Россия), ДТНБ (5,5'-Дитиобис(2-нитробензойная кислота)) фирмы «Sigma» (США), золотохлористоводородная кислота 30%-й раствор в HCl («Aldrich», США), ПДДА (полидиметил-диаллиламмония хлорид) с молекулярной массой
200 000-350 000, 20%-й раствор в воде («Aldrich», США), ПЭГ (полиэтиленгликоль) со средней молекулярной массой 20 000 («Serva», Германия), HEPES (4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазинэтансульфоновая кислота) фирмы «Sigma» (США), Трис (Трис(гидро-ксиметил)метиламин) фирмы «Sigma», США), цитрат натрия («Merck», Германия), бриллиантовый зеленый (ЗАО «Обновление», r. Новосибирск, Россия). Все реактивы имели марку не ниже «х.ч.» и использовались без предварительной очистки. Все растворы готовили на деионизованной воде, удельное сопротивление которой составляет не менее 18,2 МОм-см, полученной с помощью системы очистки воды «Milli-Q» («Millipore Corporation», США).
Для центрифугирования растворов использовали центрифугу «Biofuge A» («Heraeus Sepatech GmbH»,
фрг).
Для изготовления пленок с фасеточной структурой на основе диоксида церия использовали метод электронно-лучевого испарения в вакууме на подложки из поликора, которые были предварительно промыты изопропиловым спиртом и подвергнуты ионной чистке в вакуумной камере (давление в камере Г10-2 Торр) ионным пучком (ток в пучке 150 мА, напряжение 1,5 кВ) в течение 15 мин. Для обеспечения адгезии СеО2 методом электронно-лучевого испарения в вакууме на подложках был сформирован подслой алюминия толщиной 100-150 нм. При нанесении алюминия ток в электронном пучке составлял 100 мА, напряжение 8 кВ. Алюминий испаряли из специального тугоплавкого тигля, изготовленного из диборидкарбидтитана. Оксид церия испаряли из таблетированного оксида церия высокой степени чистоты, помещенного в охлаждаемый водой медный тигль. При испарении ток в пучке составлял 30 мА, напряжение 8 кВ. Контроль толщины напыляемых пленок осуществляли с помощью системы оптического контроля интерференционных максимумов и минимумов пропускания на длине волны 900 нм на образцах-свидетелях стекла. Расстояние от тигля до подложек составляло 450 мм.
Золь наночастиц золота (НЧЗ) получали методом цитратного восстановления [7]. Измерение размера НЧЗ в растворе проводили методом анализа траекторий наночастиц с использованием прибора «Nanosight LM10» («Nanosight Ltd.», Великобритания) в конфигурации HS-B (высокочувствительная камера «Andor Luca», лазерный источник с длиной волны 405 нм мощностью 45 мВт). Образцы золей золотых нано-частиц разводили в 1000 раз 10 мМ трис буфером (pH 8,1), обеспечивая оптимальную для измерения
концентрации частиц кислотность. Измерения проводили как минимум в шести повторах с последующей статистической обработкой. Средний размер частиц раствора НЧЗ составил 56 нм, стандартное отклонение SD = 1 нм.
Для приготовления ГКР-активной метки НЧЗ обрабатывали ДТНБ. В результате такой обработки происходила ковалентная фиксация тионитробензой-ной кислоты (ТНБ) на поверхности НЧЗ за счет тио-ловых групп, образующихся в ходе гидролиза ДТНБ. Таким образом, на выходе образуется конъюгат НЧЗ с ТНБ (НЧЗ-ТНБ). Для осуществления описанного выше процесса исходный золь НЧЗ разбавляли в два раза раствором ДТНБ в HEPES (5 мМ, pH 8 при 25°С). Инкубацию НЧЗ с ДТНБ проводили в течение суток при комнатной температуре. Затем в инкубационную смесь добавляли раствор ПЭГ в воде (10 мг/мл) до концентрации 0,5 мг/мл и инкубировали в течение 30 мин. Центрифугировали (1 300 об/мин, 10 мин), выливали на осадочную жидкость, ресуспендировали осадок в воде с ПЭГ (0,5 мг/мл) до концентрации на-ночастиц, равной начальной. Максимум спектра поглощения золя смещается с 534 до 540 нм.
Иммобилизацию НЧЗ на поверхности фасетчатых структур диоксида церия проводили по методике [8] с некоторыми модификациями. Для этого фасетчатые структуры инкубировали в растворе ПДДА (10 мг/мл) с KI (20 мМ) в воде (готовится за сутки до использования) в течение 20 мин в ячейках 96-луночных поли-стирольных планшет. Затем промывали водой (3 раза по 300 мкл в ячейках 96-луночных полистирольных планшет) и высушивали струей воздуха. Далее конъюгат НЧЗ-ТНБ в воде (оптическая плотность ~0,1) инкубировали с фасетчатыми структурами, модифицированными ПДДА, в течение 1 ч при комнатной температуре в ячейках из пленки Parafilm (поверхность подложек располагалась горизонтально). Затем промывали водой (3^300 мкл) и высушивали струей воздуха.
Спектры поглощения измеряли на плашеч-ном спектрофотометре «xMarkTM Microplate Spectrophotometer» («Bio-Rad Laboratorios», США).
Спектры КР регистрировали на спектрометре «Alpha 500R» («WITec», Германия), сопряженного с инвертированным конфокальным микроскопом с объективом EC Epiplan-Neofluar 100x/0,9 DIC да/0 («Carl Zeizz», Германия) с численной апертурой NA = 0,9, лазерным источником WITec 532 нм (60 мВт) и системой регистрации сигнала Andor CCD-камера.
Регистрацию сигналов гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) на поверхности фасеточ-
ных структур диоксида церия проводили с использованием спектрометра «innoRam BWS445(B-785S» («B&WTek Inc.», США), облучение образца проводили в epi-конфигурации с использованием 20-кратного объектива (NA = 0,4) и лазерного источника 785 нм (29 мВт). Сигнал ГКР регистрировали на полосах стоксового сдвига тионитробензойной кислоты [9] 326, 1060, 1338 и 1558 см1, время накопления сигнала 1,5 с. Итоговую интенсивность сигналов рассчитывали как среднее арифметическое величин 10 сигналов в разных точках образца после вычитания базовой линии.
Исследование поверхности и сколов фасетчатых структур на основе диоксида церия проводили методом сканирующей электронной микроскопии с использованием прибора «Supra-40» («Carl Zeiss», Гер -мания) при ускоряющем напряжении 10 кВ и прибора «Quanta» (FEI) соответственно.
Исследования поверхности фасетчатых структур методом атомно-силовой микроскопии проводили с использованием атомно-силового микроскопа «Solver ProM» фирмы «NT MDT» (Россия) в полуконтактной моде.
Результаты и их обсуждение
Исследование структуры получаемых пленок диоксида церия методом сканирующей электронной микроскопии (рис. 1) показало, что получаемые пленки имеют своеобразную фасетчатую структуру с характерным размером фасеток (2-3 мкм) при этом каждая фасетка отделена от соседней вертикальной трещиной толщиной 1-2 нм и по периметру обрамлена бордюром. Детальное исследование полученных фасетчатых структур диоксида церия при разной их толщине было проведено методом атомно-силовой микроскопии. Это исследование позволило выявить общие элементы, характеризующие структуру получаемых пленок. На рис. 2 представлена схема, отражающая основные элементы фасеток: наноразмерные (несколько десятков нм) овальной формы (1), формирующие более крупные агломераты (2) с характерными размерами от 300 до 700 нм, которые и формируют фасетку. Характерные размеры указанных элементов, а также высота обрамляющего фасетку бордюра при разной толщине получаемых фасетчатых структур приведены в табл. 1, где показано, что средний размер наноструктур 1 не изменяется с ростом толщины фасетчатых пленок в диапазоне 800-2400 нм и составляет величину порядка 25-32 нм. И только при толщине фасетчатых пленок 2800 нм эта величина
а
Рис. 1. Полученные методом сканирующей электронной микроскопии изображения фасетчатых структур на основе диоксида церия: а - общий вид, б - скол
Рис. 2. Схема расположения структурных элементов фасетчатых пленок на основе диоксида церия
Т а б л и ц а 1
Размеры элементов фасетчатых структур при разной толщине пленок
диоксида церия
Толщина пленки, нм Высота бордюра, нм Размер фасетки, мкм Размер агломератов, мкм Размер наноразмерных образований, нм
800 29± 4 1,3±0,1 0,32±0,03 28±2
1200 50± 7 1,5±0,1 0,37±0,04 29±4
1600 118±17 2,0±0,1 0,45±0,04 32±4
2000 126±15 2,5±0,3 0,57±0,04 23±3
2400 105±24 2,3±0,3 0,60±0,05 25±4
2800 128±19 2,8±0,2 0,65±0,06 75±7
возрастает практически в три раза (до 75 нм). Эффективный размер агломератов 2 монотонно растет с увеличением толщины фасетчатых пленок. Размеры фасеток и высота бордюров также имеют тенденцию к росту с увеличением толщины пленок, имея при этом локальные минимумы при толщине 2400 нм.
Полученные фасеточные структуры фактически представляют набор диэлектрических резонаторов. Можно ожидать, что при внешней засветке в системе диэлектрических резонаторов будут возбуждаться коллективные электромагнитные моды, увеличивающие напряженность поверхностного электрического поля. Увеличение напряженности электрического поля приведет, в свою очередь, к усилению сигнала комбинационного рассеяния, который пропорционален четвертой степени величины напряженности
а
локального поля. Другими словами, достаточно увеличить локальное поле в десять раз, чтобы получить эффект гигантского комбинационного рассеяния. Таким образом, можно прогнозировать проявление нелинейных оптических эффектов на поверхности полученных фасетчатых структур и, в частности, дополнительного усиления сигналов комбинационного и гигантского комбинационного рассеяния.
Исследования оптических изображений и распределения по поверхности пленок сигнала комбинационного рассеяния фасетчатых структур диоксида на стоксовой частоте 456 см1 (рис. 3) показали, что сигналы отражения света и комбинационного рассеяния распределены по поверхности пленки неравномерно. В случае оптического изображения (рис. 3, а) области более интенсивного отражения фактически коррели-
б
Рис. 3. Распределение оптических сигналов по поверхности фасетчатых структур на основе диоксида церия: а - оптическое изображение, б - распределение интенсивности сигнала комбинационного
рассеяния при 456 см-1
руют с распределением агломератов, при этом интенсивные сигналы комбинационного рассеяния при облучении лазерным источником с длиной волны 532 нм сосредоточены в основном в области бордюров.
Таким образом, полученные фасетчатые структуры диоксида церия обеспечивают неоднородное распределение максимумов интенсивности поля в проходящем и отраженном свете, что позволяет надеяться на эффект дополнительного усиления сигнала гигантского комбинационного рассеяния от плазмон-ных наноантен (наночастиц металлов). Для этого на поверхности диоксида церия были иммобилизованы коньюгаты НЧЗ-ТНБ. Иммобилизацию проводили с использованием метода электростатической адсорбции полиэлектролитов. Типичные изображение таких структур, полученные с использование сканирующей электронной микроскопии, приведены на рис. 4. Хо -рошо видно, что НЧЗ распределены неравномерно и в ряде случаев образуют разнообразные агрегаты. Для пленок диоксида церия разной толщины были оценены доли поверхности, занимаемые НЧЗ. Данные, приведенные в табл. 2, показывают, что доля поверхности диоксида церия, занятой НЧЗ, колеблется в диапазоне от 1 до 8%. Величина сигналов ГКР, нормированных на количество НЧЗ на поверхности фасетчатых структур, при стоксовых сдвигах 326, 1060 и 1338 см1 на пленках разной толщины приведены на рис. 5. Видно, что величина ГКР сигнала заметно колеблется и имеет абсолютный максимум при толщине пленки диоксида церия 2400 нм. Дополнительная нормировка ГКР-сигналов на величину сигнала при толщине пленки 2800 нм (рис. 6) позволяет оценить степень дополнительного усиления сигнал ГКР при разной толщине и на разных полосах стоксового сдвига. Из данных, представленных на рис. 6 видно, что происходит максимальное дополнительное уси-
а
Т а б л и ц а 2
Доля поверхности фасетчатых структур, занятой НЧЗ,
для пленок диоксида церия разной толщины
Толщина пленки, нм Доля поверхности, занятой НЧЗ, %
90 5.7±0.7
200 5.8±0.7
300 4.6±0.7
400 3.8±0.7
500 1.3±0.7
600 3.7±0.8
700 2.3±1.1
800 4.5±1.2
1200 7.7±4.6
1600 6.0±3.7
2000 5.2±0.6
2400 2.3±1.1
2800 2.1±2.7
ление ГКР-сигнала более чем в 200 раз. Можно также отметить, что это дополнительное усиление зависит от величины стоксового сдвига. Другими словами, выбор соответствующей толщины фасетчатой структуры диоксида церия позволяет селективно усиливать (выделять) сигналы комбинационного рассеяния определенных молекулярных группировок.
Таким образом, создан новый метаматериал на основе фасетчатых структур диоксида церия и иммобилизованных на его поверхности НЧЗ. Новый материал обеспечивает дополнительное усиление ГКР сигнала в 200 и более раз.
б
Рис. 4. СЭМ изображения фасетчатых структур диоксида церия после иммобилизации коньюгатов НЧЗ-ТНБ
Рис. 5. Величины сигналов ГКР от коньюгатов НЧЗ-ТНБ на фасетчатых структурах разной толщины и при разных полосах стоксового сдвига, см-1 (1 - 326, 2 - 1060, 3 - 1338, 4 - 1558). Сигналы нормированы на количество НЧЗ на поверхности
Рис. 6. Величины сигналов ГКР от коньюгатов НЧЗ-ТНБ на фасетчатых структурах разной толщины и при разных полосах стоксового сдвига, см-1 (1 - 326, 2 - 106о, 3 - 1338, 4 - 1558). Сигналы нормированы на количество НЧЗ на поверхности и на величину соответствующего сигнала при толщине пленки 2800 нм
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. MoskovitsM.II Rev. Mod. Phys. 1985. Vol. 57. Р. 783.
2. Brouers F., Blacher S., Lagarkov A.N., Sarychev A.K., Gadenne P., Shalaev V.M. II Phys. Rev. B. 1997. Vol. 55. Р. 13234.
3. Sarychev A.K. II Tutorials in Complex Photonic Media (SPIE Press Monograph Vol. PM194). Eds. M.A. Noginov, G. Dewar, M.W. McCall, N.I. Zheludev. Washington, 2009.
Chapter 13. R 397. 4. Laser Specie and Related Phenomena. Ed. By J.C. Dainty, Berlin, Heidelberg, N.Y., 1975.
5. SarychevA.K., Shalaev V.M. Electrodynamics ofMetamaterials. Singapore, New Jersey, London, 2007.
6. Kurochkin I.N., Sarychev A.K., Ruzhikov I.A., Budashov I.A., Maklakov S.S., Boyarintsev S.O., Lagarkov A.N. // Portable Biosensing of Food Toxicants and Environmen-
tal Pollutants. Edited by D.P. Nikolelis, T. Varzakas, A. Erdem, G-P. Nikolelis. Boca Raton, London, New York, 2014. Chapter 4. P. 97.
7. Turkevich J., Stevenson P.S., Hiller J. // Discuss. Faraday Soc. 1955. Vol. 11. P. 55.
8. Gromova M.S., Sigolaeva L.V., Fastovets M.A., Evtushenko E.G., Babin I.A., Pergushov D.V., Amitonov S.V, Eremenko A.V., KurochkinI.N. II Soft Matter. 2011. Vol. 7. P. 7404.
9. Tamer U., Boyaci I.H., Temur E., Zengin A., Dincer I., Eler-man Y. II J. Nanopart. Res. 2011. Vol. 13. P. 3167.
Поступила в редакцию 10.10.14
ENHANCEMENT OF SERS SIGNAL USING OF NEW MATERIAL BASED ON CERIUM DIOXIDE FACET DIELECTRIC FILMS
I.N. Kurochkin1, I.A. Ryzhikov2, A.K. Sarychev2, K.N. Afanasiev2, I.A. Budashov1, M.V. Sedova2, I.A. Boginskaya2, S.V. Amitonov3, E.V. Korostilev2, A.N. Lagarkov2
(Faculty of Chemistry, Lomonosov Moscow State University;2Institute for Theoretical and Applied Electromagnetics, The Russian Academy of Science; Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University)
In this paper we investigated the possibility of the facet structures, based on cerium dioxide for the purpose of increasing the intensity of the SERS signal. During the studies a new metamaterial was developed. The metamaterial is based on the facet cerium dioxide films and plasmonic nanoparticles that are immobilized on its surface. The new metamaterial provides additional SERS signal amplification factor more than 200. Thus developed material offers the prospect of increasing the sensitivity and selectivity of biochemical and immunological analysis.
Key words: Surface Enhancement Raman Scattering, cerium dioxide, metamaterials, facet structure, biosensors, immunoassay.
Сведения об авторах: Курочкин Илья Николаевич - профессор химического факультета МГУ, докт. хим. наук ([email protected]); Рыжиков Илья Анатольевич - зав. лабораторией № 4 Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, канд. техн. наук ([email protected]); Сарычев Андрей Карлович - глав.науч. сотр. Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, профессор, докт. физ.-матем. наук ([email protected]); Афанасьев Константин Николаевич - ст. науч. сотр. Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, ([email protected]); Будашов Игорь Анатольевич - вед. инженер химического факультета МГУ, канд. биол. наук ([email protected]); Седова Марина Владимировна - вед. науч. сотр. Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, канд. техн. наук ([email protected]); Богинская Ирина Анатольевна - науч. сотр. Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, канд. техн. наук ([email protected]); Амитонов Сергей Владимирович - аспирант Физического факультета МГУ ([email protected]); Коростылев Евгений Владимирович - аспирант Московского физико-технического института (государственного университета) ([email protected]); Лагарьков Андрей Николаевич - директор Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, академик, докт. физ.-матем. наук ([email protected]).
