Разработка методики формирования плазмонных наночастиц в форме диска с двумя отверстиями для биосенсорных приложений

Заключение

Нанохимия способствует применению наноматериалов во многих областях - оптоэлектронике, композиционных системах, катализе, медицине. К важному направлению относится и создание нанохимических биологических сенсоров. Уже созданы сенсоры для определения отравляющих, токсичных и взрывчатых веществ. Разработаны также биосенсоры для медицинской диагностики. Наряду с поиском и созданием новых наноматериалов осуществляется модификация свойств существующих.
Несмотря на высокую чувствительность ППР-анализа, она часто оказывается недостаточной. На сегодняшний день предложено большое число методов, позволяющих на порядки снизить предел детекции. Некоторые из них требуют модификации конструкции прибора (например, методы измерения фазового сдвига, спектроскопии с Фурье-преобразованием и ...

Оглавление
Введение 3
Глава1. Биосенсоры. Плазмонный резонанс. Оптические свойства плазмонных материалов 5
Глава 2. Способы создания наноструктур 16
2.1 Методы синтеза 16
2.2 Дизайн изготовления упорядоченных наноструктур 19
2.3 Стратегия сборки коллоидов с заданными размерами и формами 25
Заключение 32
Список использованных источников 34

Введение

Объекты, имеющие наноразмеры, обладают так называемыми квантовыми размерными эффектами. Главной причиной изменения физических и химических свойств наночастиц является рост относительной доли атомов, расположенных на поверхности и вследствие этого находящихся в иных условиях (координационное число, симметрия локального окружения и т.п.), чем атомы внутри структуры. Уникальные свойства наночастиц, возникающие за счёт поверхностных или квантово-размерных эффектов, являются объектом интенсивных исследований.
К настоящему времени свойства и методы получения плазмонных наноматериалов достаточно изучены, но при этом они широко реализованы только в сфере биохимических и биомедицинских исследований, где оправдано использование дорогостоящего оборудования. В настоящее время их уже широко применяют при диагностике исследуемых образцов на глюкозу, мочевину, гормоны, содержание лекарственных препаратов и анализов ДНК, для иммунологических анализов белков.
Плазмонные наноматериалы обладают большим потенциалом для усовершенствования методов физико-химического анализа и диагностики в сфере биохимических и биомедицинских исследований. Перспективность использования плазмонных наноматериалов обусловлена высокой информативностью и гибкостью методов их применения, а также возможностью создания портативных автоматизированных сенсорных устройств.
Уже возник значительный интерес к комбинации оптических технологий и экзогенных (внешних) контрастных агентов (наночастиц), предназначенных для обнаружения специфических молекулярных признаков рака, для повышения предела обнаружения, клинической эффективности визуализации и даже терапии опухолей. Оптические технологии могут дать высокое разрешение и неразрушающую функциональную визуализацию опухолей. Однако во многих случаях эти технологии ограничены как малыми интенсивностями оптических сигналов от используемых эндогенных (внутриклеточных) хромофоров, так и слабым спектральным контрастом раковых и обычных клеток. Селективность в случае применения наночастиц достигается путем прикрепления их к антителам, сопряженным с антигенами, специфическими для раковых клеток. Затем пораженный участок подвергается облучению в ближнем ИК - диапазоне. Рассеянное излучение может быть обнаружено, а опухоль – визуализирована. Так, для маркировки раковых клеток кожи применимы наностержни, размещенные на матрице из коллагена (имитирующей клетки ткани). С другой стороны, достаточно интенсивное излучение нагревает наночастицы до температуры более 70 градусов, при которой раковая клетка погибает. Излучение при этом практически не воздействует на здоровые клетки, в которых отсутствуют наночастицы.

Для стабилизации наночастиц металлов в коллоидных растворах широко используют полиэтиленимин, полиэтиленгликоль, поливинилацетат, альгинат, хитозан и др. [20, 21]. Эффективность стабилизации зависит от растворимости полимера в дисперсионной среде, его молекулярной массы, наличия и количества функциональных групп и их заряда, адсорбции полимера на поверхности наночастиц, степени заполнения поверхности наночастиц стабилизатором. При избытке стабилизатора образуется несколько слоев его молекул, что в зависимости от структуры стабилизатора может как снизить, так и увеличить устойчивость системы. При недостатке стабилизатора устойчивость системы можетупасть за счет сорбции одной молекулы несколькими частицами. Существует также способ стабилизации наночастиц путем наращивания на их поверхности силикатной оболочки [22]. Такой метод значительно повышает химическую и термическую устойчивость наночастиц, а также позволяет выделять наночастицы в твердом виде с возможностью обратимого ресуспендирования в растворе с сохранением исходных свойств. Синтез электростатически стабилизированных коллоидных систем предполагает получение частиц преимущественно сферической формы. Плоские наночастицы в виде треугольников, пяти- и шестиугольников, круглых пластин и объемные нанообъекты в форме тетраэдров, кубов, призм, стержней, проволок и др. могут быть получены в анизотропных условиях роста. Для создания таких условий применяют восстановление в пористых материалах, таких как оксиды кремния или алюминия в присутствии детергентов [23–24]. Более распространенным методом получения наночастиц несферической формы является метод мягких матриц - синтез в присутствии определенных поверхностно-активных веществ, ограничивающих рост предварительно синтезированных зародышей в заданных кристаллографических плоскостях [25]. Наиболее часто используемым для этих целей поверхностно-активными веществами являются бромид цетилтриметиламмония и хлорид бензилдиметилгексадециламмония [26]. Нередко одно и то же соединение служит и восстановителем, и средой для проведения реакции (растворителем). Данный метод в литературе получил название полиольного синтеза [27]. Возможность синтеза наночастиц различных форм в условиях полиольного синтеза обусловлена формированием зародышевых частиц соответствующей формы. Перспективным методом для синтеза наночастиц с варьируемыми оптическими свойствами является наращивание слоя серебра на наночастицах золота путем восстановления серебра из ионов на поверхности золотых наностержней [28]. В особый класс плазмонных наночастиц выделяют нанооболочки металлов на диэлектрическом ядре [29]. Такие наночастицы обладают оптическими свойствами несферических наночастиц, хотя сами имеют форму сферы. Синтез нанооболочек осуществляют путем адсорбции золотых зародышей на сферических силикатных ядрах с аминными группами. Адсорбированные золотые зародыши являются центрами конденсации при дальнейшем восстановлении золота. Физические методы образования наночастиц используются реже химических конденсационных, но в ряде случаев все-таки оказываются более необходимыми. Химические способы получения плазмонных наночастиц требуют применения восстановителей и стабилизаторов, что в ряде случаев может служить ограничением их применения. Например, для некоторых задач недопустимо наличие даже следов примесей. Синтез плазмонных наночастиц в данном случае проводят с использованием минимального количества реагентов, а в ряде случаев на твердых подложках без примесных химических соединений, используя диспергационные методы синтеза, такие как лазерная абляция [30], вакуумное испарение [31], электроконденсационный метод [32] и др.Каждый из методов синтеза имеет свои преимущества и недостатки и должен рассматриваться в рамках решения определенных технологических или научно-исследовательских задач.2.2 Дизайн изготовления упорядоченных наноструктурМорфометрические и физико-химические параметры наночастиц благородных металлов сложным образом зависят от большого количества трудно контролируемых параметров. Необходимость управляемого синтеза наночастиц с заданными свойствами обусловлена сильным влиянием размеров, форм и структуры металлических наночастиц и их агрегатов на оптические свойства образуемых ими систем. Многие тонкости технологии синтеза наночастиц носят эмпирический характер, и только некоторые процессы могут быть строго алгоритмизированы. Тем не менее, анализ экспериментальных данных относительно механизмов формирования золей коллоидных благородных металлов, основанных на химическом восстановлении соответствующих солей, позволяет выявить ряд параметров, влияющих на систему закономерным и воспроизводимым образом. Основным параметром, управляющим дисперсностью образующихся золей является соотношение окислителя и восстановителяПри одностадийных методах синтеза в коллоидных растворах одновременно происходят два процесса – образование зародышей будущих наночастиц (нуклеация) и их рост. Скорость образования зародышевых наночастиц зависит от степени пересыщения атомарного металла в растворе, которая повышается с увеличением концентрации реагирующих веществ и активности восстановителя. При высокой скорости образования зародышей и низкой скорости нуклеации увеличивается образование частиц малого размера. При медленном образовании зародышей и высокой скорости их роста (низкая степень пересыщения) формируются более крупные частицы [32]. Комплексный механизм роста наночастиц приводит к формированию полидисперсных образцов золей с широким распределением частиц по размерам, что существенно влияет на оптические свойства наночастиц и их потенциальное применение. Для исследований биологических аналитов важно получать монодисперсные наночастицы малых размеров. На рис. 4 представлены коэффициенты поглощения наночастиц золота в вакууме и воде при их разных диаметрах. А БРисунок 4 - Зависимость поглощения сферической наночастицей золота от длины волны облучения при различных радиусах частицы (А - в вакууме, Б - в воде)Как видно, пик в воде с самым большим коэффициентом характерен для частицы 20 нм.Для получения монодисперсных систем необходимо оптимизировать параметры коллоидных растворов, то есть нужно процессы зародышеобразования и роста наночастиц разделить во времени или в пространстве. Это возможно при двухстадийном и многостадийном методах синтеза металлических наночастиц [33], путем создания слабого пересыщения в растворе с предварительно синтезированными зародышевыми частицами, при котором происходит только рост уже образовавшихся частиц и перестает происходить нуклеация [34]. В случае наночастиц серебра, по сравнению с наночастицами золота, получение монодисперсных систем еще более затруднительно, так как серебра обладает большей реакционной способностью а, соответственно, и меньшей устойчивостью коллоидного раствора. Наночастицы серебра получаются более крупными, чем наночастицы золота. Синтез в двухфазных водно-органических системах позволяет более эффективно контролировать средний размер получаемых частиц благородных металлов [35,36]. Близкие к монодисперсным наночастицы серебра также можно получить в среде органических растворителей, таких как три-N-октиламин, олеиламин, N,N-диметилформамид и др. Очень важна при синтезе наночастиц чистота реактивов и растворителей и, конечно, посуды. Используют бидистиллированную воду, очищенную от органических примесей активированным углем на этапе дистиллят – бидистиллят. Для мытья посуды используют моющие средства, не содержащие металлов: чаще всего применяют царскую водку, а для удаления органических примесей - спиртощелочные и спиртосолянокислые растворы [19].Синтез в двухфазных водно-органических системах позволяет более гибко и эффективно контролировать средний размер получаемых частиц благородных металлов. Скорость взаимодействия предшественника образования металла и восстановителя лимитируется площадью поверхности раздела жидкостей и интенсивностью переноса реагента из водной в органическую среду, осуществляемого четвертичными алкиламмониевыми солями. Данным методом можно получить лишь относительно небольшие наночастицы. К недостаткам метода также относится применение большого количества реагентов, особенно межфазного переносчика, способных загрязнять поверхность формирующихся наночастиц, осложняя тем самым их дальнейшее использование. Близкие к монодисперсным наночастицы серебра также можно получить в среде органических растворителей, таких как три-N- октиламин, N,N-диметилформамид, олеиламин и др. Однако и этот метод ограничивает размеры частиц в диапазоне до 40–50 нм.Температурный фактор также сильно влияет на дисперсность частиц. Так при цитратном синтезе наночастиц золота при контроле температуры ± 0,1 °С монодисперсность синтезированных наночастиц увеличивается, по сравнению со стабильностью температуры ± 2 °С , что связано с близостью температур роста и нуклеации наночастиц.Одним из перспективных новых методов введения прекурсоров в пористые и полимерные материалы является метод сверхкритической флюидной импрегнации, в первую очередь, в среде сверхкритического диоксида углерода (скСО2) [37, 38]. Этот метод позволяет вводить прекурсоры металла в весьма малые свободные объемы материала, а также избегать сохранения в порах остатков растворителя и посторонних примесей после завершения процесса модификации. Использование лазерного излучения для фото- и терморазложения прекурсоров внутри объема матрицы позволяет не только получать наночастицы в объеме матрицы, но и проводить структурирование материала с высоким пространственным разрешением, создавая структуры различного типа из наночастиц введенного металла.Для получения монодисперсных наночастиц используют также методику выделения из синтезированного образца нужной фракции наночастиц после синтеза, для чего применяют методы хроматографии, фильтрации, центрифугирования, селективного осаждения, селективного окисления, электрофорез, фракционирование в силовом поле и т.д. Одним из наиболее распространенных методов получения монодисперсных наночастиц является центрифугирование в градиенте плотности [39]. Разделение основано на различии в скорости осаждения частиц в соответствии с их массами. При этом некоторый вклад в разделение вносит и форма частиц, в результате чего возможно осаждение частиц с различными массой и формой. Градиент плотности может быть создан в растворах на основе глицерина, сахарозы, фриккола, перкола и др. При этом получают не очень узкое распределение по массе, форме и размерам (отличия около 10 %). Перспективным методом для разделения сферических наночастиц по размерам является фильтрация на пористой мембране при градиенте давления. Процесс осуществляется без использования дополнительных реагентов и позволяет проводить очистку от загрязняющих реагентов и побочных продуктов синтеза, а также концентрирование наночастиц. По эффективности очистки коллоидного раствора и легкости применения диафильтрация превосходит диализ, а также многие другие известные методы и их комбинации. Разделение наночастиц с размером от 3,5 нм возможно осуществлять методами гель-электрофореза. Это обусловлено тем, что скорость движения частицы в электрическом поле зависит от числа заряженных групп на ее поверхности, от площади поверхности частицы, пористости геля и некоторых других параметров, в результате чего возможно разделение как по размерам, так и по форме наночастиц. Метод позволяет выделять из полидисперсной системы наночастицы с узким распределением по размерам и массе (отличия около 2–5 %). Используются агарозный (размер пор 100 нм), или полиакриламидный гель (3–5 нм) [40]. Для разделения несферических частиц эффективен седиментационный вариант поточного фракционирования с использованием поточного центрифугирования [41]. В целом методы поточного фракционирования позволяют выделять фракции наночастиц с диапазоном отличий распределения около 1–2 %. Информацию о размерах частиц можно получать посредством различных методов детектирования, таких как измерение светорассеяния, вискозиметрия, рефрактометрия, а также исходя из времени элюирования фракции. Иммобилизация предварительно синтезированных плазмонных наночастиц на твердых подложках может проводиться за счет образования ковалентных связей или электростатических взаимодействий. Связываемость металлических наночастиц с твердой подложкой обычно слабая, и поэтому разрабатываются специальные методы иммобилизации для сохранения целостности. Химические способы иммобилизации основаны на использовании молекул с бифункциональными группами (различные производные силанов, как аминопропилтриметоксисилан или меркаптопропилтриметоксисилан) в качестве связующего звена между подложкой и наночастицей [42]. В качестве подложки применяют стекло, кварц, кремний и др. [43,44]. На модифицированную поверхность подложки металлические наночастицы могут быть иммобилизованы в один или несколько слоев. Наночастицы имеют тенденцию группироваться после каждого этапа осаждения и в результате субстрат состоит не из слоистых структур, а из распределенных металлических кластеров. Размер кластеров контролируется количеством осаждений наночастиц, при этом установлено, что существует оптимальное количество осаждения наночастиц для максимальной эффективности ГКР, что связано с зависимостью частоты поверхностных плазмонов, возбуждающихся на активных центрах, от морфологии подложки. При увеличении количества осажденных слоев наночастиц снижается также пространственная вариация сигнала ГКР в пределах одного образца и увеличивается воспроизводимость между образцами субстратов. Более эффективное усиление ГКР достигается при иммобилизации наночастиц на металлических пленках, что обусловлено сопряжением между поверхностными плазмонами наночастиц и металлической пленки. Использование линкеров различной длины позволило изучить явление такого сопряжения в зависимости от расстояния между наночастицами и металлической пленккой. Также установлено, что интенсивность ГКР может быть оптимизирована путем варьирования размеров наночастиц, материала подложки и пространства между наночастицами и металлической пленкой.Электростатическая сборка плазмонных наночастиц на твердых поверхностях осуществляется с помощью полимеров, например, поли(винилпиридин), поливинилпирролидон, или биомолекул (ДНК или белковых) [45-50]. Существует также способ сборки наночастиц различных размеров и материалов на полистирольных шариках [51,52]. Шарики набухают в тетрагидрофуране, увеличиваясь в 1,5 раза, что позволяет вводить большое количество наночастиц на поверхность полимера. После адгезии наночастиц растворитель заменяют и шарики сжимаются до иходного размера. Плотность активных центров при этом увеличивается. Матричные методы синтеза заключаются в осаждения тонкой металлической пленки на подложках из нанотрубок путем восстановления в растворе [53] или с помощью вакуумного испарения [54]. Для этих целей используют как синтетические, так и природные галлуазитные трубки [55]. Не так давно был разработан и запатентован [56] способ изготовления субстратов, заключающийся в получении методом фотолитографии регулярных конических микроструктур (~ 2 мкм) с последующим осаждением из паровой фазы золотой пленки. 2.3 Стратегия сборки коллоидов с заданными размерами и формамиФотолюминесцентные свойства плазмонных наноматериалов так же, как и усиленный сигнал комбинационного, являются перспективным источником полезной диагностической информации. Ключевым фактором при этом являются морфологические свойства наноструктур. С одной стороны, морфология плазмонных наноматериалов проявляется через влияние на оптические свойства материалов, например, изменение спектров экстинкции и оптимизация факторов усиления гигантского комбинационного рассеяния. С другой стороны, непосредственно геометрические характеристики применяемых наночастиц могут предоставлять дополнительную информационную составляющую исследований посредством соответствия размеров и форм наночастиц диагностируемым объектам.Для синтеза металлических наноструктур непосредственно на подложке могут быть использованы химические [57] и фотохимические методы [58]. Часто применяют электронно-лучевая литография [59,60]. Основой современных литографических методов является рельефная маска. При электронно-лучевой литографии электронный луч сканирующего электронного микроскопа используется для облучения заданных областей на положительном резисте, расположенном на подложке. Именно эти облученные области определяют форму наночастиц. На следующем этапе эти облученные области резиста удаляются с помощью химических процессов. На получаемую таким образом маску напыляется металл необходимой толщины. На завершающей стадии процесса маска с металлом на ней удаляется, в результате чего на подложке остаются металлические наночастицы или наноструктуры. Ионно-лучевая литография аналогична электронно-лучевой, но пучок ионов лучше фокусируется в среде за счет большой массы ионов, и разрушение связей в резисте происходит быстрее, чем в случае электронно-лучевой литографии. При литографическом методе размер и расстояние между частицами можно легко варьировать и точно контролировать геометрические параметры наноструктур [61], получая субстраты со строго определенными формами (возможен даже дизайн структур последовательно переходящих от колец к полумесяцам) и оптическими свойствами. Методы, основанные на электронно-лучевой литографии являются чрезвычайно медленными, и они обычно используются для наноэлектронных приложений, где точное управление небольшим числом наноструктур более важно, чем высокая пропускная способность. Метод коллоидной литографии основан на способности наночастиц самоорганизовываться на поверхностях, за счет адсорбции под воздействием электростатического притяжения. Это дает возможность использования метода для покрытия наночастицами относительно больших площадей (см2), довольно быстро и с высокой плотностью наночастиц, что очень важно для таких областей применения, как биосенсоры и катализ, где требуется большое количество наноразмерных частиц [62]. Таким образом, при литографическом методе синтез наночастиц обусловлен управляемым движением отдельных атомов различными материальными шаблонами — масками. Однако в последнее время, стало возможным управлять движением атомов с помощью оптических полей. В напыленных субмикронных полосках атомов, в зависимости от соотношения частоты лазерного поля и резонансной частоты электронных колебаний в нейтральном атоме, атом будет выталкиваться из области более слабого оптического поля в область более сильного или наоборот. Исследования взамосвязи морфологии металлических наноструктур с фактором усилиения показали, что массивы отверстий нанометровых размеров обладают более высокими усилениями, чем нанодиски. Эффективность возрастает при расположении структур ближе друг к другу, а также при уменьшении размеров нанодисков, что является противоположной тенденцией по сравнению с массивами наноотверстий [63]. Строгий контроль над геометрическими параметрами позволяет осуществлять также метод травления фокусированным ионным пучком, обеспечивающий пространственное разрешением менее 10 нм [64]. С использованием данного метода были изготовлены массивы наноотверстий на пленках плазмонных металлов с различными размерами, формами и периодичностью, проявляющие очень высокие коэффициенты усиления. Отличительной особенностью наноструктур в виде массива отверстий на плазмонных металлических пленках, таких как золото и серебро, является светопропускание, проявляемое в определенных диапазонах длин волн и характеризуемое сдвигами при погружении в диэлектрические среды с различными индексами преломления, что делает их подходящими для использования в качестве высокопроизводительных плазмонных датчиков [65]. Одной из важных характеристик массива наноотверстий является возможность функционирования в режиме пропускания, а не отраженного излучения.