Сегодня все больше внимания уделяется контролю за состоянием воздуха и воды, наличию в них вредных примесей. Люди осознали, что даже небольшое количество опасных соединений может крайне негативно сказаться на здоровье человека и животных. Кроме того, сегодня физики, химики, материаловеды экспериментируют с крайне малыми количествами веществ в очень маленьких концентрациях, и им также необходимо иметь надежный способ определения даже самых незначительных объемов той или иной примеси в веществе.
Чтобы следить за химическим составом различных веществ, искать в них те или иные соединения, необходимо сложное оборудование. Наиболее распространенной методикой, применяющейся для этого, является колебательная спектроскопия.
«С ее помощью вы можете с легкостью узнать молекулярный состав совершенно неизвестного вам вещества, ― рассказывает Далер Дададжанов, аспирант совместной образовательной программы между Университетом ИТМО и университетом им. Давида Бен-Гуриона в Негеве, сотрудник Международного центра Физики наноструктур. ― Как это работает? У вас есть неизвестное химическое вещество, которое состоит из набора взаимодействующих между собой атомов, к примеру, у аминогруппы есть атомы водорода и азота. При падении на них светового излучения атомы начинают осциллировать, поглощая при этом определенную энергию. В результате на выходе энергия будет уже меньше. По тому, на какой частоте поглотилась энергия, можно судить о том, какие функциональные группы атомов содержит молекула. Можно составить некий "паспорт молекул", сверяясь с которым детектор и определяет, с каким веществом имеет дело».
Сегодня такие спектрографы работают в средней инфракрасной (ИК) области спектра, которой соответствует излучение с длиной волны 2,5-25 микрометров. В этом диапазоне различия между падающей энергией и энергией, уже прошедшей сквозь вещество, хорошо заметны и удобны для анализа.
Однако анализаторы, работающие в среднем ИК-спектре, сравнительно велики и громоздки, не говоря уже о цене. Кроме того, некоторые полосы в среднем ИК-спектре настолько интенсивны, например, относящиеся к колебаниям атомов водорода в гидроксильной группе (OH), что при детектировании малого количества вещества приводят к полному поглощению. Присутствие таких полос вызывает трудности при интерпретации других характеристических колебательных полос в спектре поглощения.
Приблизить спектр
Можно было бы сделать систему в несколько раз меньше, если работать не в среднем ИК-диапазоне, а в ближнем, которому соответствует более коротковолновое излучение. Ближний ИК-диапазон освоен гораздо лучше среднего, прежде всего, благодаря тому, что именно в этом диапазоне работает современный телеком.
«Основное преимущество ближней ИК-области спектра ― это то, что на текущий день в этой области существует много энергоэффективных и высококачественных непрерывных источников излучения и надежных детекторов, ― поясняет Далер Дададжанов. ― Они дешевле, чем для средней ИК-зоны и компактнее. Так, оборудование для средней ИК-области может иметь габариты полтора на полтора метра, а для ближней оно, вероятно, сможет уместиться на человеческой ладони».
Однако есть проблема ― уменьшение длины волны приводит к тому, что разница между попавшей на образец энергией и прошедшей сквозь него оказывается совсем небольшой и сложно улавливаемой для детектора. В результате для качественного анализа требуется большее количество вещества, что ставит под угрозу компактизацию всей установки. Кроме того, есть и другая сложность ― концепция многих сенсоров заключается в детектировании неизвестного вещества с предельно малой концентрацией, например, токсичных молекул. При использовании ближнего ИК-диапазона это усложняет задачу.
Перед тем, как создать устройство-анализатор на основе колебательной спектроскопии в ближней ИК-области, необходимо придумать, как усилить сигнал, получаемый от разницы падающей и проходящей сквозь вещество энергией. Над этим проектом совместно работали специалисты университета им. Давида Бен-Гуриона в Негеве (Ben-Gurion University of the Negev, Israel) под руководством доктора Алины Карабчевской и их коллеги из Университета ИТМО.
Золото в помощь
В Университете ИТМО на протяжении долго времени занимаются синтезом и исследованием фотофизических свойств металлических (плазмонных) наночастиц. Именно их и было предложено использовать для усиления сигнала при колебательной спектроскопии. Несмотря на то, что изучением таких частиц занимались давно, эти их свойства практически не вызывали до недавнего времени интереса исследователей.
«В нашей работе мы предлагаем следующий дизайн: на подложке из прозрачного диэлектрика, например, боросиликатного стекла, формируется периодический массив золотых нанопараллелепипедов. Такие структуры могут быть получены с помощью электронно-лучевой литографии, ― комментирует Далер Дададжанов. ― После этого мы покрываем подложку тонким слоем исследуемого вещества и регистрируем спектр пропускания образца, который обусловлен совместным возбуждением плазмонного резонанса в золотых наночастицах и молекулярных колебаний исследуемого вещества. Золотые нанопараллелепипеды рассчитанной формы имеют плазмонный резонанс именно в той области спектра, в которой находятся полосы поглощения исследуемых молекул. Кроме того, вблизи металлической поверхности происходит дополнительное усиление поля. Это повышает чувствительность предложенного сенсора».
Эта работа пока является теоретической ― исследования велись на численных моделях. Следующим этапом станет проведение реальных экспериментов по созданию подобных систем в лабораторных условиях.
Статья: Daler R. Dadadzhanov, Tigran A. Vartanyan, Alina Karabchevsky. Lattice Rayleigh Anomaly Associated Enhancement of NH and CH Stretching Modes on Gold Metasurfaces for Overtone Detection. Nanomaterials, 2020.
