Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Графен и плазмонный резонанс для будущего медицины

Кандидат химических наук Максим Абаев

Исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники Московского физико-технического института смогли повысить чувствительность биосенсоров на основе поверхностного плазмонного резонанса с помощью оксида графена. Если концентрация научных терминов в этой фразе не ввергла вас в ужас, то мы расскажем вам обо всём подробно и доступно. Начнём, пожалуй, с биосенсора — что это вообще за устройство и что означает приставка «био»? Всё достаточно просто: биосенсор — это такой прибор, который может определять химические соединения с помощью какого-нибудь биологического компонента. Например, один из первых биосенсоров, которым продолжительное время пользовались шахтёры, назывался «канарейка в клетке». Дело в том, что канарейки очень чувствительны к повышению содержания опасных для шахтёров газов: метана, угарного и углекислого газов. И как только их концентрация увеличивалась, канарейка практически сразу погибала. Это служило сигналом тревоги для шахтёров, которые спешно покидали опасное место.

Суть работы биосенсора состоит в том, что определённый биологический компонент, а в этой роли могут выступать ферменты, антитела, клеточные рецепторы, а то и вовсе целые микроорганизмы, реагирует на изменение концентрации какого-нибудь химического вещества или другого компонента. Например, рецепторы на усиках насекомых могут «чувствовать» единичные молекулы особых веществ — феромонов. Если зафиксировать электрический импульс, который возникает, когда молекула феромона попадает на рецептор, то получится сверхчувствительный биосенсор для отдельных молекул. Кстати, такой метод есть, и называется он «электроантеннография». Существует множество различных вариантов, как можно с помощью физических методов измерить сигнал от биологических объектов. И вот тут мы как раз подходим к поверхностному плазмонному резонансу. Как же он работает?

Плазмонный резонанс связан с особенностью отражения света от границы двух сред. Из школьной физики мы знаем, что угол падения равен углу отражения — это один из основных законов геометрической оптики. Отражение луча происходит от границы двух сред с разными показателями преломления. Например, на поверхности озера видно отражение облаков и совсем не видно, что же там, под водой. Это проявление эффекта, который называется полным внутренним отражением — когда луч света полностью отражается от границы раздела фаз. Чтобы увидеть дно или обитателей водоёма, взгляд должен быть направлен практически вертикально вниз — тогда мы видим не только отражённые лучи, но и преломлённые, которые прошли через границу воздух — вода. А что происходит, если луч падает не на прозрачное вещество, а на совсем непрозрачное, такое как поверхность металла?

У металлов есть одна характерная особенность, которая кардинально отличает их от, скажем, воды, стекла или воздуха: в металлах есть свободные электроны, и именно по этой причине металлы проводят электрический ток. Но кроме проводимости у металлов есть ещё одна общая черта — они блестят. Металлический блеск — специфическое свойство, которое проявляется у самых разных металлов, будь то железо, алюминий, серебро или золото. Блеском металлы обязаны свободным электронам. Как мы знаем, свет — это волна, представляющая собой колебания электрического и магнитного полей с определённой частотой, поэтому её и называют электромагнитной. Когда электромагнитная волна попадает на поверхность металла, то на свободные электроны начинает воздействовать её переменное электрическое поле. Это приводит к тому, что электроны начинают как бы подстраиваться под воздействующее на них поле. В результате электроны экранируют металл от внешней волны — она отражается, а мы видим блестящую поверхность металла. А что, если частота волны окажется такой высокой, что электроны просто не будут успевать перемещаться вслед за колебаниями? Тогда они не смогут экранировать металл и волна сможет пройти сквозь поверхность. Например, большинство металлов отражает видимый свет, но вот ультрафиолет уже может «пробить» такой электронный экран.

Коллективные колебания свободных электронов физики назвали плазменными колебаниями, а виртуальную частицу, которой якобы соответствует такое колебание, — плазмоном. Как и у любого колебания, у плазменных есть своя частота, а значит, возможно явление резонанса. Плазмонный резонанс возникает, когда луч падающего света фиксированной частоты находится под определённым углом к поверхности, в результате нарушаются условия полного внутреннего отражения и интенсивность отражённого луча падает. Если световые лучи были в некотором диапазоне углов, то в отражённом луче будут отсутствовать те лучи, которые соответствовали углам возникновения плазмонного резонанса. Плазмонный резонанс весьма чувствителен к условиям, и если мы возьмём очень тонкий слой металла — толщиной меньше длины волны, — то резонанс будет сильно зависеть от свойств этой самой поверхности. Даже небольшие изменения в структуре поверхности заметно сдвигают условия возникновения резонанса, что позволяет использовать этот эффект для обнаружения сверхмалых количеств веществ.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Вести из лабораторий»

Детальное описание иллюстрации

- Конструкция чипа, предложенная исследователями из МФТИ: на золотую подложку наносится вещество — оксид графена, на котором уже можно закреплять различные молекулы-ловушки. Они будут удерживать на себе анализируемые молекулы и тем самым менять свойства поверхности, а изменения условий плазмонного резонанса будут зафиксированы детектором. Подобная схема позволяет в 3—4 раза повысить чувствительность биосенсора по сравнению с серийно выпускаемыми чипами с полимерной плёнкой или обычным графеном.
- Эффект поверхностного плазмонного резонанса: луч лазера отражается от поверхности металла. При нарушенном полном внутреннем отражении вдоль металлической плёнки распространяется электромагнитная волна, которая появляется при определённом угле падения оптического излучения на эту плёнку. При этом энергия падающего излучения поглощается электромагнитной волной и в спектре отражённого света появляется участок, отвечающий за это поглощение.