Оптические свойства растворов наночастиц. Поверхностный плазмонный резонанс

27.12.2020

Смотреть что такое "плазмонный резонанс" в других словарях:

Англ. plasmon resonance) возбуждение поверхностного плазмона на его резонансной частоте внешней электромагнитной волной (в случае наноразмерных металлических структур называется локализованным плазмонным резонансом) . Описание Технический … Википедия

Термин нанофармакология Термин на английском nanopharmacology Синонимы Аббревиатуры Связанные термины адгезия, доставка генов, антитело, бактериофаг, белки, биологическая мембрана, гипертермия, ДНК, капсид, квантовая точка, кинезин, клетка … Энциклопедический словарь нанотехнологий

Шестерни молекулярного размера на основе нанотрубок … Википедия

Наношестерни молекулярного размера Нанотехнология междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также… … Википедия

В физике, плазмон квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа. Содержание 1 Объяснение 2 Возможное использование … Википедия

В физике, плазмон квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа. Объяснение Плазмоны играет большую роль в оптических свойствах металлов. Свет с частотой … Википедия

Золото - (Gold) Золото это драгоценный металл Золото: стоимость, пробы, курс, скупка, разновидности золота Содержание >>>>>>>>>>>>>>>> Золото это, определение … Энциклопедия инвестора

Металлические наночастицы, демонстрирующие наличие поверхностного плазмонного резонанса на границе раздела металла с диэлектриком, имеют большой потенциал для использования в качестве высокочувсвительных сенсоров для биологических и медицинских исследований. Поверхностный плазмонный резонанс возникает на границе раздела металла и диэлектрика. Частота поверхностного плазмонного резонанса зависит как от диэлектрических проницаемостей граничащих поверхностей, так и от формы поверхности. Зависимость положения максимума поверхностного плазмонного резонанса от геометрических размеров наночастиц позволяет изготавливать наночастицы для биологических исследований, резонансная частота которых совпадает с собственной частотой колебаний различных биологических реагентов. В данной работе рассматриваются наночастицы сферической формы, состоящие из полупроводникового ядра, окруженного металлической оболочкой. Сложная зависимость диэлектрической проницаемости полупроводника от частоты может приводить к возникновению дополнительного поверхностного плазмонного резонанса на различных частотах. В работе рассматривается тензор диэлектрической проницаемости полупроводника и учитывается частотная зависимость компонент тензора. Диэлектрическая проницаемость металла рассчитывается в рамках формализма Друде. В работе проведен расчет сечения поглощения наночастиц с золотой оболочкой и показано, что зависимость компонент тензора диэлектрической проницаемости полупроводника от величины внешнего магнитного поля позволяет менять положение максимума максимума поверхностного плазмонного резонанса путем изменения магнитного поля. Таким образом, показано, что наночастицы с полупроводниковым ядром и металлической оболочкой могут служить сенсорами для разных биомолекул в зависимости от величины магнитного поля

наночастицы

поверхностный плазмонный резонанс

полупроводник

модель друде

1. Басс, Ф.Г. Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешётками / Ф.Г. Басс, А.А. Булгаков, А.П. Тетервов – М: Наука, 1989. – 288 с.

2. Борен, К. Поглощение и рассеяние света малыми частицами / К. Борен, Д. Хафмен. – М.: Мир, 1986. – 340 с.

3. Головкина М.В. Отражение электромагнитной волны от системы сверхпроводник – полупроводник / М.В. Головкина // Современные наукоемкие технологии. 2009. № 8. С. 8-10.

4. Дыкман Л.А. Биомедицинское применение многофункциональных золотых нанокомпозитов / Л.А. Дыкман, Н.Г. Хлебцов // Успехи биологической химии. – 2016. – Т. 56. – С. 411-450.

5. Климов, В. В. Наноплазмоника / В.В. Климов. – М.: Физматлит, 2009. – 480 с.

6. Синтез наночастиц магнетит – золото, имеющих структуру типа ядро – оболочка / П.Г. Рудаковская [и др.] // Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. – 2015. –Т. 56. – № 3 – С. 181-189.

7. Golovkina M.V. Periodic semiconductor structures with metamaterials. Proceedings International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON-2009. Tomsk, 2009. – С. 133-137.

Наночастицы и нанокомпозитные структуры на их основе в последнее время все больше попадают под пристальное внимание ученых и инженеров. Успехи, которых достигла в настоящее время технология изготовления наночастиц, позволяют изготавливать наночастицы радиусом в несколько нанометров сферической и эллипсоидальной формы, а также наночастицы сложной структуры с оболочкой. Наночастицы и нанокомпозитные материалы на их основе находят применение для изготовления твердотельных устройств фотоники и оптоэлектроники, таких как фильтры, усилители, а также могут использоваться в качестве высокоэффективных высокочувствительных сенсоров . Наночастицы из металла или наночастицы с металлической оболочкой, обладающие поверхностным плазмонным резонансом, находят применение в разных областях науки и техники, таких как химия, физика, биология, медицина, нанотехнологии, биотехнологии и т.д. Большим потенциалом для использования в биологии и медицине обладают также магнитные наночастицы. Благодаря высокой удельной намагниченности и возможности связывания на поверхности биологических молекул магнитные наночастицы на основе оксида железа являются перспективным материалом для разработки селективных контрастирующих агентов для магнито-резонансной томографии . Для решения биохимических задач различной степени сложности необходимо сочетание магнитных свойств и особых свойств поверхности, которые наблюдаются у наночастиц. Наночастицы магнетита, функционализированные биомолекулами (антителами, ферментами, нуклеотидами и др.) для нацеливания или узнавания биологических систем, могут быть использованы в качестве материалов для адресной доставки лекарственных препаратов .

Особого внимания заслуживают наночастицы типа ядро-оболочка, обладающие способностью комбинировать свойства нескольких материалов в одной частице. Так, использование магнетита в качестве ядра для материалов типа ядро-оболочка позволяет избежать всех недостатков, которые демонстрируют коллоидные растворы наночастиц оксида железа. Они являются токсичными, демонстрируют склонность к быстрой агрегации в различных биологических растворах, трудность функционализации поверхности . Для преодоления этих недостатков можно использовать наночастицы с оболочкой. В качестве оболочки используют неорганические материалы, обеспечивающие стабильность, простоту функционализации поверхности и биосовместимость. Подходящим и оптимальным материалом для образования оболочки наночастиц является золото, обладающее биосовместимостью и высокой стабильностью .

Коллоидные растворы частиц золота малых размеров использовали в лечебных целях еще в древнейшие времена. Однако, лишь в последние десятилетия, благодаря появлению новых данных об уникальных оптических и физико-химических свойствах золотых наночастиц, началось их активное применение в различных биологических, медицинских целях как в экспериментальной биологии и медицине, так и на практике .

Интерес к золотым и другим частицам благородных металлов (например, наночастицам из серебра) обусловлен их уникальными оптическими свойствами, связанными с возбуждением локализованных плазмонных резонансов в металлических наночастицах, взаимодействующих со светом . Эти возбуждения поверхностных плазмонов приводят к целому классу плазмонно-усиленных линейных свойств, таких как резонансное поглощение, рассеяние, генерация сильных локальных полей, гигантское комбинационное рассеяние .

В нанотехнологии, которая находит применение в биомедицинских исследованиях, применяются золотые и серебряные наночастицы, которые хорошо адсорбируют различные биологические реагенты. Так, к металлическим наночастицам можно прикрепить биологические макромолекулы, молекулы, работающие в качестве зонда, например, антитела. Наноструктуры, содержащие наночастицу в качестве ядра с прикрепленными к ним биологическими молекулами, называют биоконъюгатами или конъюгатами. При этом прикрепление биомакромолекул к наночастицам называется функционализацией . В таком случае биомакромолекула конъюгата используется для того, чтобы прикрепиться к биологическому объекту, который является мишенью. Золотые наночастицы находят широкое применение в биомедицине также из-за хорошей биологической совместимости, низкой химической реакционной способности, а также из-за хорошей функционализации. Однако некоторые металлы, например, серебро, могут демонстрировать высокую химическую активность, поэтому такие металлические наночастицы, которые работают на основе поверхностного плазмонного резонанса, необходимо окружать оболочкой из диэлектрика, которая будет защищать их от контакта с биологической анализируемой средой. Таким образом, для практических применений подходят наночастицы с оболочкой: диэлектрические наночастицы с оболочкой из золота, обеспечивающие хорошую функционализацию, или металлические наночастицы с диэлектрической оболочкой, предотвращающей химический контакт с аналитом. Однако необходимо помнить о том, что увеличение толщины диэлектрической оболочки наночастиц приводит к уменьшению чувствительности, то есть к уменьшению сдвига максимума плазмонного резонанса при изменении показателя преломления анализируемого раствора. Поэтому важной задачей является оптимизация параметров наночастиц и подбор их геометрических размеров и толщины оболочки, которые обеспечат повышение чувствительности спектрального сдвига максимума поверхностного плазмонного резонанса.

Для задач биомедицины применяются полупроводниковые наночастицы, которые могут использоваться в качестве люминесцентных зондов или меток, находящих применение, например, для флуоресцентной томографии. Причем использование полупроводниковых наночастиц с оболочкой из более широкозонного полупроводника приводит к усилению люминесценции.

В данной работе рассматриваются наночастицы сферической формы, имеющие полупроводниковое ядро, окруженные металлической оболочкой. Диэлектрическая проницаемость металла рассматривается в рамках модели Друде и выражается следующей формулой:

где eр - решеточная часть диэлектрической проницаемости,

wр - плазменная частота для металла,

g - столкновительная частота для металла. Столкновительная частота определяет наличие затухания в среде.

Тензор диэлектрической проницаемости полупроводника записывается в известном виде :

, (2)

где компоненты тензора диэлектрической проницаемости имеют следующий вид :

Здесь wрр - плазменная частота для полупроводника,

wс - циклотронная частота,

n - столкновительная частота для полупроводника,

e0р - решеточная часть диэлектрической проницаемости для полупроводника.

Результаты расчета частотной зависимости компонент тензора диэлектрической проницаемости модельного полупроводника представлен на рисунках 1 и 2.

Из рисунков 1 и 2 видно, что зависимость компонент тензора диэлектрической проницаемости e^ и eа от частоты носит сложный характер. При определенной частоте, зависящей от циклотронной частоты wс, наблюдается смена знака у компонент тензора. Если ядро наночастицы выполнено из полупроводника, то такое изменение знака компонент e^ и eа приводит к изменению частоты поверхностного плазмонного резонанса на границе раздела с металлической оболочкой и даже к возникновению новых частот поверхностного плазмонного резонанса.

Рис.1. График зависимости компоненты тензора e^ диэлектрической проницаемости полупроводника от частоты. Сплошная кривая: wс=1,5×1014 рад/с, точечный пунктир: wс=2×1014 рад/с, длинный пунктир: wс=4×1014 рад/с

Рис.2. График зависимости компоненты тензора eа диэлектрической проницаемости полупроводника от частоты. Сплошная кривая: wс=1,5×1014 рад/с, точечный пунктир: wс=2×1014 рад/с, длинный пунктир: wс=4×1014 рад/с

Циклотронная частота для полупроводника вычисляется следующим образом (в системе СГС):

где Н - напряженность внешнего магнитного поля.

Так как циклотронная частота полупроводника зависит от величины внешнего магнитного поля, то, меняя магнитное поле, можно изменять частоту поверхностного плазмонного резонанса в наночастицах с металлической оболочкой. Таким образом, наночастицы с оболочкой и полупроводниковым ядром обладают следующим важным свойством: электродинамическими параметрами таких наночастиц можно управлять, меняя величину внешнего магнитного поля.

Нахождение положения максимума поверхностного плазмонного резонанса, который наблюдается на сферической границе раздела полупроводник - металл, является сложной задачей, которая не имеет аналитического решения. Для численного определения частоты поверхностного плазмонного резонанса проведем расчет сечения поглощения наночастицы с металлической оболочкой в соответствии с методикой, описанной в работах , . Результаты расчета сечения поглощения представлены на рисунке 3.

Рис.3. Расчет сечения поглощения полупроводниковой наночастицы с золотой оболочкой. Радиус ядра 27 нм, толщина оболочки 17 нм. Сплошная кривая: wс=1,5×1014 рад/с, точечный пунктир: wс=2×1014 рад/с

Из рисунка 3 хорошо видно, что увеличение циклотронной частоты полупроводника от 1,5×1014 рад/с до 2×1014 рад/с, наблюдаемое при увеличении внешнего магнитного поля, приводит к сдвигу максимума поверхностного плазмонного резонанса от 1,35 мкм до 1,58 мкм.

В работе исследуются наночастицы с оболочкой, которые могут применяться в качестве сенсоров для биологических и медицинских исследований. Рассмотрены наночастицы, состоящие из полупроводникового ядра и металлической оболочки. С учетом диэлектрической проницаемости металла, рассчитываемой в рамках модели Друде, и частотной зависимости компонент тензора диэлектрической проницаемости полупроводника проведены расчеты сечения поглощения рассматриваемых наночастиц с золотой оболочкой. Показано, что изменение магнитного поля влияет на положение поверхностного плазмонного резонанса в наночастицах. Полученные в работе результаты могут использоваться для создания контрастирующих агентов для магнито-резонансной томографии или в качестве биологических меток.

Библиографическая ссылка

Оркина В.Е., Головкина М.В. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ НАНОЧАСТИЦ С ОБОЛОЧКОЙ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 2.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=18408 (дата обращения: 17.12.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

ПОВЕРХНОСТНЫЙ ПЛАЗМОННЫЙ РЕЗОНАНС НАНОЧАСТИЦ СЕРЕБРА В СТЕКЛЕ СТЕХИОМЕТРИСЕСКОГО СОСТАВА ДИСИЛИКАТА ЛИТИЯ

Институт химии силикатов имени И. В.Гребенщикова РАН,

Макарова, Санкт-Петербург, 199034 Россия

e-mail *****@***ru

Поверхностный плазмонный резонанс наночастиц представляет собой резкое увеличение интенсивности поглощения и рассеяния при определенной длине волны падающего света, попадающей в резонанс с собственной частотой колебаний электронного газа на поверхности наночастицы. Параметрами плазмонного резонанса являются: его величина, положение в спектре, полуширина полосы. Они зависят от материала, формы, размера наночастицы, а также от состава окружающей среды. Выполнено исследование, в котором на одних и тех же образцах фотоструктурированных (фоточувствительных) стекол с добавками примеси серебра 0.03Ag (масс.%) сверх 100 % и диоксида церия 0.05 CeO2 (масс.%) сверх 100 %, введенными как порознь, так и совместно, изучены кристаллизационные и оптические свойства стекла стехиометрического состава дисиликата лития 33.5Li2O · 66.5SiO2 (мол.%):

При воздействии ультрафиолетового излучения и термообработки ионы-восстановители отдают электроны ионам серебра, переводя их в атомарное состояние. Рентгеновское излучение введения сенсибилизатора не требует. При повышенной температуре атомы серебра формируют наночастицы, которые служат центрами кристаллизации основной неметаллической фазы дисиликата лития.

Так как максимальная скорость зарождения кристаллов дисиликата лития наблюдается при температуре 460 °С , для исследований оптических свойств стекол мы избрали именно эту температуру. Образцы выдерживали при температуре 460 °С в течение 3 часов. На рисунке 1 представлены зависимости оптической плотности образцов, D , от длины волны для исходного стекла 1 (без примесей и облучения); с примесями серебра и диоксида церия 2; с примесью серебра 3. Образцы 2 и 3 облучены в течение 10 минут. Режим термообработки 460 °С 3 часа.

Как видно из рисунка 1, зависимость оптической плотности образца 1 не имеет максимумов, она плавно уменьшается. Оптическая плотность образца с церием и серебром имеет два максимума: первый - для длины волны 310 нм, второй лежит при λ = 425 нм, и, наконец, оптическая плотность образца с серебром имеет только один максимум при λ = 425 нм. Отсюда можно сделать вывод, что полоса поглощения на длине волны λ = 310 нм связана с присутствием в стекле ионов церия, а длина волны λ = 425 – соответствует плазмонному резонансу наночастиц серебра.

Выводы по работе

Выполнено комплексное исследование, в котором на одних и тех же образцах фотоструктурированного (фоточувствительного) стекла стехиометрического состава дисиликата лития 33.5Li2O·66.5SiO2 (мол.%) с добавками фоточувствительной примеси серебра (0.03 масс.% сверх 100 %) и диоксида церия (0.05 масс.% сверх 100 %), введенными как порознь, так и совместно, изучены кристаллизационные и оптические свойства. Установлено, что полоса поглощения на длине волны λ =310 нм связана с присутствием в стекле ионов церия, а длина волны λ = 425 – соответствует плазмонному резонансу наночастиц серебра.

Скорость зарождения дисиликата лития на частицах серебра для глубины образца 0.52 мм в 500 раз выше скорости зарождения в гомогенных условиях нуклеации , что позволяет рекомендовать литиевосиликатное стекло данного состава использовать в качестве фотоструктурированного материала для получения фоточувствительных стеклов и фотоситаллов.

1. А. Зарождение кристаллов в литиевосиликатных фоточувствительных стеклах. Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing. ISBN: 978-3-8454-1285-6. 148с. Проектный номер (24811). LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG Dudweiler Landstraße 99, 66123 Saarbrücken Germany. 2011г.

2. А., В., А., А. Влияние наночастиц золота на процессы аморфизации и кристаллизации в фотоструктурируемом литиевосиликатном стекле // Физ. и хим. стекла. 2013. Т.39. №4. С.513-521.

Что такое наночастицы?
Особенности оптических процессов, происходящих на нанометровых масштабах
Спектральные свойства полупроводниковых частиц
Спектральные свойства металлических частиц
Гибридные наночастицы и их спектральные свойства

Используемые термины

Дифференциальное сечение рассеяния – физическая величина, равная отношению числа частиц, рассеянных в единицу времени в единицу телесного угла d Ω, к плотности потока падающих частиц
Полное сечение рассеяния – есть дифференциальное сечение рассеяния, проинтегрированное по полному телесному углу
Показатель поглощения – величина, обратная расстоянию, на котором поток монохроматического излучения, образующего параллельный пучок, уменьшается в результате поглощения в среде в e раз

Что такое наночастицы ?

Под наночастицами понимают объекты размером от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. Как правило, это либо кристаллы нанометровых масштабов (нанокристаллы ), либо крупные молекулы

1 – фуллерен С 60 ; 2 – однослойная полупроводниковая квантовая точка; 3 – квантовая точка типа «ядро-оболочка»; 4 – TEM снимок золотых наночастиц; 5 – TEM снимок наночастиц серебра.

Квантовые точки

В основном мы будем рассматривать частный случай наночастиц – квантовые точки . Квантовая точка – это кристалл, движение носителей зарядов (электронов или дырок) в котором ограничено по всем трем измерениям. Квантовая точка состоит из сотен атомов!

На настоящий момент химики умеют синтезировать квантовые точки самых различных составов. Наиболее распространены квантовые точки на основе кадмия (например, CdSe).

Нанооптика изучает физические свойства, структуру и способы создания световых полей, локализованных на нанометровых масштабах.
Традиционная оптика и лазерная физика имеют дело со световыми полями в дальней (волновой) зоне R» λ.
Специфика оптического диапазона – дипольное приближение размер излучателя a« λ → a ~0.1 – 1 нм; λ ~0.2 – 1 мкм (УФ – ИК).
Оптика ближнего поля (субволновая оптика ) имеет дело с полями на расстояниях от источника (объекта) R« λ (вплоть до нескольких нм ).
В таких условиях в дополнение к обычным (распространяющимся) волнам надо учитывать локализованные (эванесцентные) волны! Это в особенности важно при рассмотрении ансамблей частиц !

Учет ближнепольного взаимодействия приводит к качественному изменению поведения полей

Учет влияния локализованных полей приводит к возможности распространения света, поляризация которого направлена вдоль направления распространения. Такие волны (называемые продольными) не учитываются в обычной оптике. Однако при работе с нанометровыми объектами интенсивности таких волн могут превышать интенсивности обычных (поперечных) электромагнитных волн.

Простейший нанофотонный разветвитель

Слева: Поляризация в направлении X, вдоль распространения волны

Справа: Поляризация в направлении Y, поперек распространения волны

Особенности оптических процессов, происходящих на нанометровых масштабах

Необходимо учитывать влияние локализованных полей
Электромагнитные поля вблизи наноструктур существенно отличаются от полей в свободном пространстве и в объемных материалах
Эти обстоятельства особенно важны при рассмотрении эффектов, происходящих вблизи границы наноструктур, а также при взаимодействии близко расположенных наночастиц
Локализованные поля существуют в ограниченных частях пространства, однако интенсивности таких полей могут быть значительны, что может приводить к возникновению нелинейно-оптических явлений
В случае, если исследуемые нанообъекты обладают размерами менее 10 нм, могут начинать играть роль квантовые эффекты, приводящие к неприменимости использования понятия диэлектрической проницаемости

Спектральные свойства полупроводниковых наночастиц

В объемном материале электрон может занять любую незанятую позицию в зоне проводимости. Спектр фотонов, испускаемых при возвращении электрона в валентную зону, является непрерывным.
В квантовой точке происходит ограниченное в пространстве снижение дна зоны проводимости и повышение потолка валентной зоны. В силу законов квантовой механики допустимые уровни энергии электрона при этом образуют дискретный спектр.

Уровни энергии в квантовой точке

Уровни энергии электрона и дырки обратно пропорциональны квадрату ширины квантовой точки! Выбирая различные размеры и форму квантовых точек, можно добиться того, что они будут излучать или поглощать свет заданной длины волны . Это позволяет, используя один и тот же материал , но разные размеры и форму, создавать источники света, излучающие в заданном спектральном диапазоне!

Спектры излучения квантовых точек

Зависимость флуоресценции квантовых точек «ядро-оболочка» CdSe/ZnS, облучаемых светом с l = 470 нм, от величины радиуса ядра.

Нормированные спектры испускания квантовых точек In(Ga)As , помещенных в матрицу из GaAs.

Как и в случае полупроводниковых наночастиц, спектральные свойства металлических частиц существенно зависят от их размера и формы. Однако, в отличие от полупроводников, в случае металлов это явление главным образом связано с возбуждением плазмонов . Когда свет взаимодействует с электронами, которые могут свободно перемещаться по металлу, положение электронов по отношению к положению ионов кристаллической решетки, начинает осциллировать с плазменной частотой ωp. Кванты плазменных осцилляций называются плазмонами .

В случае взаимодействия света с поверхностью металла, электромагнитная волна проникает внутрь металла лишь на очень малые расстояния (менее 50 нм для серебра и золота), поэтому основной вклад в колебания вносят электроны, расположенные вблизи поверхности. Их коллективные колебания называются распространяющимися поверхностными плазмонами . В случае же, если свободные электроны ограничены определенным конечным объемом металла (что имеет место в случае металлических наночастиц), колебания носят локализованный характер, а их кванты называются локализованными поверхностными плазмонами .

Плазмонный резонанс

В случае, если плазмонные колебания, возбуждаемые в разных частях кристалла, интерферируют конструктивно, возникает явление плазмонного резонанса . При этом существенно возрастает величина сечения экстинкции (поглощения + рассеяния). Положение пика в спектре, а также его величина, существенно зависят от формы частицы и ее размера.

Моды плазмонных колебаний, возбуждаемые при облучении нано-треугольника пучком электронов с разной энергией. В зависимости от энергии, максимумы поля оказываются в углах, вблизи центров граней и в центре треугольника

Зависимости спектров металлических наночастиц от их формы и размеров

Максимумы в спектрах рассеяния для различных металлических наночастиц: a) серебряные нанопризмы; b) золотые шарики с размером 100 нм; с) золотые шарики с размером 50 нм; d) серебряные шарики с размером 100 нм; e) серебряные шарики с размером 80 нм; f) серебряные шарики с размером 40 нм.

Зависимость спектра экстинкции наночастиц серебра от формы частицы.

Спектральные свойства металлических частиц

Спектральные свойства металлических наночастиц связаны с явлением резонанса локализованных поверхностных плазмонов
Положение, величина и форма спектров экстинкции металлических наночастиц зависят от формы и размера наночастиц
Варьируя размеры и форму металлической наночастицы, можно добиться того, что максимум сечения экстинкции попадет в нужный нам спектральный диапазон
Используя это свойство, можно существенно повысить эффективность работы солнечных батарей за счет поглощения разных частей солнечного спектра разными наночастицами

Гибридные наночастицы

Гибридные наночастицы состоят из различных материалов, например, металла и полупроводника. Так как при уменьшении размера свойства различных материалов меняются по-разному, при описании оптических свойств гибридных наночастиц необходимо учитывать взаимодействие между различными компонентами, составляющими нанообъект.

Рассмотрим оптические свойства гибридных наночастиц на примере металлоорганических наночастиц типа «ядро-оболочка», состоящих из металлического ядра и оболочки из красителя в так называемом агрегатном состоянии.

Взаимное расположение невозмущенных пиков плазмонного резонанса ядра (Ag и Au) и экситонного пика J-агрегатной оболочки красителя (TC, OC, PIC)

Типичный вид спектров поглощения света гибридными наночастицами Ag/J-агрегат и Au/J -агрегат

Зависимость характера спектров фотопоглощения гибридных наночастиц Ag/J-агрегат (положений и интенсивностей пиков ) от толщины внешней оболочки красителя при фиксированном радиусе ядра

Толщины оболочки: ℓ=2 нм (1); ℓ= 4 нм (2); ℓ= 6 нм (3); ℓ= 8 нм (4); ℓ= 10 нм (5); ℓ=12 нм (6). Радиус ядра наночастицы не меняется: r = 30 нм

Зависимость оптических свойств гибридных наночастиц от их формы

Объект исследования: 2-х слойные сфероидальные наночастицы с металличесим ядром (Ag, Au), покрытые J-агрегатом цианинового красителя.

Зависимость спектра поглощения композитных систем Ag/J-агрегат от геометрических параметров

Спектральные свойства гибридных наночастиц

Спектральные свойства гибридных частиц существенно отличаются от свойств компонентов, составляющих наночастицу
Взаимодействие компонент наночастицы может приводить к смещению положения пиков в сечениях поглощения, возникновению новых пиков, а также изменению пиковых значений сечений поглощения
Положения и количество пиков в сечениях поглощения зависят от формы наночастицы
Для несферических частиц положения максимумов поглощения зависит от поляризации падающего излучения
Выбирая различные геометрические параметры гибридной наночастицы, можно добиться смещения пиков поглощения в требуемую спектральную область, что открывает возможность управления спектральными свойствами гибридных наночастиц

Выводы

Оптические свойства наночастиц радикально отличаются от свойств объемного материала
Практически для всех наночастиц спектральные характеристики существенно изменяются при изменении формы и размера частиц
Варьируя геометрические параметры наночастиц, можно добиться требуемых оптических свойств
При переходе к рассмотрению ансамблей наночастиц необходимо принимать во внимание взаимодействие между отдельными частицами
Спектральные свойства гибридных наночастиц отличаются от свойств компонентов, из которых они состоят (целое не равно сумме частей!)

Список литературы

Л. Новотный, Б.Хехт, Основы нанооптики , Москва, Физматлит 2011
Y. Masumoto, T. Takagahara, Semiconductor Quantum Dots , Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2002
V.S. Lebedev et al, Colloids and Surfaces A 326, 204 (2008); Квантовая электроника 40, 246 (2010)
В.С.Лебедев, А.С. Медведев, Квантовая электроника 42, 701 (2012); Квантовая электроника 43, № 11(2013); J. Russ. Laser Res. 34,303(2013)
Р.Б. Васильев, Д.Н. Дирин, А.М. Гаськов, Успехи химии, 80, 1190 (2011)
V. M. Agranovich, Yu. N. Gartstein, and M. Litinskaya, Chemical Reviews, 111, 5179 (2011)
H.-E. Schaefer, Nanoscience , Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2010
Sergio G. Rodrigo, Optical Properties of Nanostructured Metallic Systems , Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2012

Спектроскопия оптического поглощения - один из старейших методов физико-химического анализа биомолекул. Однако невысокие его чувствительность и пространственное разрешение не позволяют изучать процессы с участием низких концентраций белка. Учёным из Беркли удалось «продлить век» оптическому методу за счёт сопряжения его с другим принципом, применяемым в биофизических и биохимических исследованиях, - плазмонным резонансом . Оказалось, что в спектре упругого рассеяния на наночастицах золота, введённых в клетку, могут появляться специфические «провалы», соответствующие частотам, на которых поглощают некоторые биологические молекулы (например, металлопротеины). Исследователи называют этот эффект миграцией энергии плазмонного резонанса и объясняют его непосредственным взаимодействием частиц золота с адсорбирующимися на них молекулами белка. Предложенный метод обладает невиданной ранее чувствительностью: с его помощью можно определять если и не единичные молекулы белка, то, по крайней мере, их десятки .

Оптическая спектрометрия позволяет изучать белки, обладающие оптической плотностью в видимом диапазоне электромагнитного излучения (хромопротеины) с помощью измерения поглощения света на определённых («характеристических» для конкретных молекул) длинах волн. Однако для таких измерений требуются довольно высокие концентрации белкá, да и пространственное разрешение этого метода весьма низкое (обычно изучают растворы молекул, находящиеся в спектрометрических кюветах, и речи о том, где именно в клетке расположены изучаемые молекулы, просто не идёт). Гораздо большей чувствительностью обладают методы, основанные на измерении флуоресценции (вместе с конфокальной микроскопией они позволяют определять месторасположение молекул внутри живой клетки), но тут необходимо модифицировать изучаемые молекулы специальными молекулами-метками, что не всегда желательно и возможно. Другой часто используемый в биологии метод - спектроскопия ядерного магнитного резонанса - также требует довольно больших концентраций белка и часто - изотопного мечения объекта, сложного в условиях живых систем.

Предлагаемая учёными из Беркли методика (статья опубликована в журнале Nature Methods ) основана на введении в живые клетки наноскопических частиц золота контролируемого размера (20–30 нм). Электроны на поверхности частиц из таких металлов как золото или серебро коллективно осциллируют в ответ на облучение светом определённой длины волны - это явление известно как плазмонный резонанс (см. врезку). Резонансные частоты этих наночастиц зарегистрировать намного легче, чем слабый (из-за очень низких концентраций) оптический сигнал от биологических молекул, что и позволяет проводить измерения.

Мы стояли на плоскости
С переменным углом отражения,
Наблюдая закон,
Приводящий пейзажи в движение.

Повторяя слова,
Лишенные всякого смысла,
Но без напряжения,
Без напряжения.
Б.Г.

Литература

Gang Logan Liu, Yi-Tao Long, Yeonho Choi, Taewook Kang, Luke P Lee. (2007). Quantized plasmon quenching dips nanospectroscopy via plasmon resonance energy transfer . Nat Methods . 4 , 1015-1017;
New nanoparticle technique captures chemical reactions in single living cell with amazing clarity . (2007). ScienceDaily .