КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-73-00206
НазваниеСамосборка наночастиц золота и серебра на границе жидкость-жидкость как платформа для метода гигантского комбинационного рассеяния
РуководительСмирнов Евгений Алексеевич, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.
Ключевые словаСамосборка, Межфазная граница, Наночастицы золота, Наноструктурированные подложки, Гигантское комбинационное рассеяние, ГКР, Рамановская спектроскопия
Код ГРНТИ31.15.37
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) - один из наиболее перспективных и активно развивающихся методов качественного и количественного анализа. В его основе лежит эффект усиления сигнала рассеяния на 4 - 12 порядков за счёт плазмонного резонанса на поверхности наночастиц благородных металлов. Особенностью метода является идентификация веществ в области «отпечатков пальцев» (1500 – 650 см–1), которая открывает новые возможности для мультиплексного и селективного определения индивидуальных соединений в объектах сложного состава, а также достижения наномолярных (нМ) пределов обнаружения. В современной литературе описаны примеры использования спектроскопия ГКР для идентификации и определения как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных соединений, клеток, определения параметров реакций окисления и восстановления и др.
Несмотря на достигнутые результаты в данной области, ключевой проблемой по-прежнему является разработка методов и подходов к созданию стабильных во времени и эффективных ГКР-активных подложек с высокой степенью равномерности усиленного сигнала по всей площади подложки. К сожалению, качество усиливающей подложки может существенно влиять на величину сигнала ГКР, а следовательно, на возможность количественного определения аналитов. Главная сложность в проведении количественного анализа методом ГКР заключается часто в невысокой воспроизводимости интенсивности сигнала, так как на эффект ГКР влияет структура и состояния поверхности наночастиц металла, их размера и анизотропии, взаимного расположения наночастиц, а также особенностей сорбции аналитов на наночастицах. Так в работе "Present and Future of Surface-Enhanced Raman Scattering" (2020, DOI: 10.1021/acsnano.9b04224) международный коллектив авторов отмечает, что развитие методов производства подложек - один из десяти основных вызовов, стоящих на пути повсеместного внедрения ГКР. Поэтому разработка методов и подходов к созданию высоко воспроизводимых, чувствительных и стабильных ГКР-активных поверхностей является основополагающей и актуальной задачей наук о материалах и аналитической химии.
Как было показано ранее в работах руководителя Проекта, самосборка плазмонных материалов (в частности, наночастиц золота) на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей позволяет получать плотноупакованные массивы наночастиц металлов, обладающих всеми достоинствами эффективных ГКР-активных подложек, описанных выше. Самосборка на границе раздела фаз приводит к упорядочению наночастиц металлов в тонкую плёнку (толщиной в один диаметр используемой наночастицы) с гексагональной плотнейшей упаковкой. Такое решение нивелирует перепады получаемого сигнала рассеяния на большой площади поверхности (то есть позволяет делать карты), а за счёт того, что наночастицы собраны в плотнейшую упаковку способствует увеличению сигнала ГКР. В дальнейшем такие плёнки можно использовать, как на границе раздела фаз, проводя межфазный ГКР анализ, так и перенести на любую твёрдую поверхность - от стекла и пластика до бумаги и ткани.
Таким образом, основная цель проекта: развитие подходов для получения ГКР-активных подложек за счёт самосборки на границе раздела фаз и развитие научных основ аналитического метода ГКР на примере таких сборок.
В рамках Проекта планируется решение двух основных задач. Во-первых, разработка подходов к самосборке наночастиц на границе раздела фаз и выработка оптимальной методики получения тонких плёнок, пригодных для ГКР. Во-вторых, тестирование полученных сборок наночастиц для применения в рамках метода ГКР, как на модельных молекулах (красители), так и для обнаружения биологически активных веществ, содержащихся в продуктах питания, косметических и фармацевтических препаратах, а также проверка возможности совместного определения веществ в смеси.
Актуальность решения данной проблемы и новизна настоящего Проекта заключается в разработке простого, эффективного и воспроизводимого метода получения ГКР-активной подложки за счёт самосборки наночастиц на границе раздела фаз, что позволит создать такие ГКР-активные подложки, которая будут демонстрировать высокую воспроизводимость сигнала и высокое усиление ГКР (более 7 порядков).
Ожидаемые результаты
Фундаментальная значимость планируемых результатов данного Проекта заключается в разработке платформы для синтеза ГКР-активных подложек с высокой воспроизводимостью сигнала и высокими показателями усиления за счёт плотнейшей упаковки наночастиц на границе раздела фаз.
В рамках настоящего Проекта планируется достигнуть следующих результатов:
1. Будет разработан новый простой и недорогой подход для синтеза ГКР-активных подложек с высокими параметрами (воспроизводимость, коэффициент усиления, линейность сигнала от концентрации аналита);
2. Будут получены экспериментальные зависимости интенсивности спектров ГКР для модельных веществ на таких наноструктурированных подложках от различных параметров: размера наночастиц, концентрации, способа сборки;
3. Будет проведено тестирование указанных подложек для совместного определения веществ в смеси.
В случае успешной реализации проекта, планируется организовать стартап для дальнейшей адаптации разработанного метода под конкретные задачи отдельных отраслей экономики.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В первый год выполнения проекта синтезировали наночастиц золота в диапазоне размеров от 17 до 60 нм, они полностью охарактеризованы современными физико-химическими методами. В частности, были установлены морфологические изменения наночастиц при замене восстановителя. Для всех синтезированных наночастиц были получены тонкие плёнки на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей. При этом, морфология наночастиц оказывает существенное влияние на полученные тонкие плёнки (например, в отражательной способности плёнки).
Далее с помощью метода аквапринта тонкие плёнки наночастиц с границы раздела фаз переносили на твёрдые подложки, такие как стекло, кремний, ITO и бумага, для дальнейшего использования в качестве усиливающих поверхностей для рамановской спектроскопии. В качестве классической модельной молекулы использовали родамин 6Ж. Для обработки полученных рамановских спектров была разработана методика, которая позволяет упросить работу с данными и повысить достоверность получаемые результатов. В результате, линейная зависимость интенсивности рамановского рассеяния от концентрации молекул родамина сохраняется в диапазоне 2 порядков концентраций. Также были определены коэффициенты усиления, которые составили ~5000 для небольших частиц (17 нм) и ~45000-50000 для крупных частиц (~40 нм).
Более того, анализ данных атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и ГКР-картирования с последующей обработкой полученных данных показали, что использование самосборки наночастиц на границе раздела фаз позволяет получить относительно ровные покрытия наночастиц на предложенных подложках. При этом средние отклонения интенсивности составляют ~15% от среднего значения по всей подложке.
В ближайшее время, планируется выполнить тестирование полученных усиливающих подложек для рамановской спектроскопии на примере природных фенольных соединений.
Результаты, полученные за первый год выполнения проекта, апробированы на российских и международных конференциях, а также приняты в печать в виде двух статей (Zhang Qi, Timur Akhmetzhanov, Arina Pavlova, Evgeny Smirnov, Reusable SERS substrates based on gold nanoparticles for peptides detection, MDPI Sensors и Павлова А.А., Ахундзянова А.О., Король А.И., Малеева К.А., Смирнов Е.А. Самосборка наночастиц золота на границе жидкость-жидкость как платформа для метода гигантского комбинационного рассеяния Университет ИТМО).
Публикации
1. Александр Агликов, Ольга Волкова, Анна Бондарь, Иван Москаленко, Александр Новиков, Екатерина Скорб, Евгений Смирнов Memristive effect in Ti3C2Tx(MXene) – polyelectrolyte multilayers Wiley, - (год публикации - 2023)
2. Павлова А.А., Ахундзянова А.О., Король А.И., Малеева К.А., Смирнов Е.А. Самосборка наночастиц золота на границе жидкость-жидкость как платформа для метода гигантского комбинационного рассеяния Университет ИТМО, - (год публикации - 2023)
3. Цы Джан, Ахметжанов Тимур, Павлова Арина, Смирнов Евгений Reusable SERS substrates based on gold nanoparticles for pep-2 tides detection MDPI, - (год публикации - 2023)
4. - В ИТМО открылась новая лаборатория. Здесь будут развивать технологии для сенсоров нового поколения Новостной портал ИТМО, - (год публикации - )
5. - От вкуса продуктов до жидких зеркал для телескопов: ученый Евгений Смирнов ― о коллоидной химии и возможностях, которые она открывает Новостной портал ИТМО, - (год публикации - )
6. - Open Science Rocks в Севкабеле Группа Инфохимии в ВК, - (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Во второй год выполнения проекта синтезировали наночастиц серебра в диапазоне размеров от 44 до 60 нм, что соответствует ожидаемому диапазону размеров для достижения максимального коэффициента усиления. Растворы наночастиц полностью охарактеризованы современными физико-химическими методами. В частности, были измерены средние размеры частиц и их дзета-потенциал. Для всех синтезированных наночастиц были получены тонкие плёнки на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей.
Далее с помощью метода аквапринта тонкие плёнки наночастиц с границы раздела фаз переносили на твёрдые подложки, такие как кремний, ITO на полимерной подложке (PEN), структурированный полимер и бумага, для дальнейшего использования в качестве усиливающих поверхностей для рамановской спектроскопии с длинной волны лазерного излучения 514 нм. В качестве классической модельной молекулы использовали нерезонансную молекулу малахитового зелёного. Для обработки полученных рамановских спектров использовали методику, ранее разработанную в ходе выполнения проекта. В результате, линейная зависимость интенсивности рамановского рассеяния от концентрации молекул малахитового зелёного сохраняется в диапазоне 2,5 порядков концентраций. Также были определены коэффициенты усиления, которые составили ~40000 для использованных частиц (~50 нм).
Анализ данных атомно-силовой микроскопии, сканирующей электронной микроскопии и ГКР-картирования с последующей обработкой полученных данных показали, что использование самосборки наночастиц на границе раздела фаз позволяет получить относительно ровные покрытия наночастиц на предложенных подложках. При этом средние отклонения интенсивности составляют ~25% от среднего значения по всей подложке.
Результаты, полученные за второй год выполнения проекта, апробированы на российских и международных конференциях, а также приняты в печать в виде публикации в высокорейтинговом журнале ACS Sensors: A.Pavlova, K.Maleeva, I.Moskalenko, V.Belyaev, M.Zhukov, D.Kirilenko, K.Bogdanov, E.Smirnov, «Polyphenolic Compound SERS-Detection on Self-Assembled Gold Nanoparticle Substrates».
Публикации
1. А.Павлова, К.Малеева, И.Москаленко, В.Беляев, М.Жуков, В.Кириленко, К.Богданов, Е.Смирнов Polyphenolic Compound SERS-Detection on Self-Assembled Gold Nanoparticle Substrates ACS Sensors, - (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
На данный момент показана принципиальная возможность создания недорогих подложек с высокой воспроизводимостью сигнала и высокими показателями усиления за счёт плотнейшей упаковки как наночастиц золота, так и серебра на границе раздела фаз. При этом представленные в работе усиливающие подложки позволяют получать линейную зависимость сигнала аналита, как модельного, так и реального, от концентрации, что позволяет рассматривать метод рамановской спектрокопии (или спектроскопии ГКР) в качестве аналитического метода для широкого круга применений. Себестоимость одной такой подложки составляет не более 20 рублей, что потенциально позволит наладить массовый выпуск подложек и предлагать их разным заказчикам: от анализа полифенолов в растительном сырье до медицинских применений и персонализированной медицины.