Специалисты РФ создали усиливающие свет микросферы для медицинских сенсоров
Микросферы диаметром около пяти микрометров удерживают излучение и усиливают его в сотни раз. На их основе планируется создавать сенсоры для обнаружения в крови молекул — маркеров заболеваний.
МОСКВА, 21 августа /Новости науки/. Ученые ИТМО создали усиливающие свет микрорезонаторы для медицинских сенсоров. Об этом сообщила пресс-служба Российского научного фонда.
Разработка может помочь выявлять в крови, клетках и тканях малые концентрации молекул, указывающих на различные заболевания. Микросферы также можно использовать как миниатюрные оптические метки для защиты изделий от подделок и маркировки компонентов микроэлектроники.
«Отличить ненужный фоновый сигнал от света, попавшего в “ловушку”, очень просто: у хаотичного фона спектр широкий и размытый, а у запертого в резонаторе света есть острые, узкие пики на определенных длинах волн. Золотые наночастицы в полученных нами микрорезонаторах выборочно гасят хаотичный фон и делают ту часть излучения, которая попадает в полость сферы и усиливается благодаря отражениям, еще ярче и четче», — рассказал инженер-исследователь Университета ИТМО Антон Ткач.
Основой микрорезонаторов стали полистирольные сферы диаметром около пяти микрометров — примерно в десять раз тоньше человеческого волоса. На их поверхность ученые нанесли светящиеся частицы двух типов: нанокристаллы из серебра, индия и серы, а также углеродные точки.
Поверх люминофоров исследователи разместили слои полимера и золотых наночастиц. Полимер изолирует золото от светящихся нанокристаллов и не позволяет ему подавлять их излучение. Золотые наночастицы работают как своеобразные антенны: ослабляют фоновый сигнал и усиливают полезное свечение.
Под действием относительно слабого лазера люминофоры начинают излучать свет во все стороны. Большая его часть покидает микросферу и превращается в фон, однако часть излучения остается внутри. Свет многократно отражается от границы сферы, подхватывает излучение других нанокристаллов и в результате становится в сотни раз ярче.
Эксперименты подтвердили, что микросферы подавляют побочные сигналы и многократно увеличивают яркость света, удерживаемого внутри резонатора. Изменяя последовательность и параметры наносимых слоев, можно настраивать характеристики излучения под конкретную задачу. Использованные компоненты нетоксичны, поэтому структуры предполагается применять для анализа биологических образцов.
В дальнейшем ученые намерены объединить новую разработку с ранее созданным материалом, который более чем в 10 тыс. раз повышает чувствительность рамановской спектроскопии. Этот метод позволяет определять химический состав сложных смесей, включая кровь, природную воду и продукты нефтепереработки.
«В будущем мы планируем совместить проведенные ранее исследования и на основе этих результатов создать структуру типа “лаборатория на чипе” с возможностью параллельного детектирования аналита на детекторном и аналитическом каналах. Также мы проанализируем устойчивость гибридных структур в жидких средах, их отклик на сложные многокомпонентные пробы, определим пределы обнаружения и избирательность на модельных соединениях для различных архитектур микросфер», — рассказал руководитель проекта, заведующий лабораторией Университета ИТМО Кирилл Богданов.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Optics and Laser Technology. Оптические микрорезонаторы применяют при разработке миниатюрных лазеров, биомедицинских датчиков и защитных меток, однако многие существующие образцы требуют мощных источников излучения или изготавливаются из материалов, несовместимых с биологическими объектами.
Разработка может помочь выявлять в крови, клетках и тканях малые концентрации молекул, указывающих на различные заболевания. Микросферы также можно использовать как миниатюрные оптические метки для защиты изделий от подделок и маркировки компонентов микроэлектроники.
«Отличить ненужный фоновый сигнал от света, попавшего в “ловушку”, очень просто: у хаотичного фона спектр широкий и размытый, а у запертого в резонаторе света есть острые, узкие пики на определенных длинах волн. Золотые наночастицы в полученных нами микрорезонаторах выборочно гасят хаотичный фон и делают ту часть излучения, которая попадает в полость сферы и усиливается благодаря отражениям, еще ярче и четче», — рассказал инженер-исследователь Университета ИТМО Антон Ткач.
Основой микрорезонаторов стали полистирольные сферы диаметром около пяти микрометров — примерно в десять раз тоньше человеческого волоса. На их поверхность ученые нанесли светящиеся частицы двух типов: нанокристаллы из серебра, индия и серы, а также углеродные точки.
Поверх люминофоров исследователи разместили слои полимера и золотых наночастиц. Полимер изолирует золото от светящихся нанокристаллов и не позволяет ему подавлять их излучение. Золотые наночастицы работают как своеобразные антенны: ослабляют фоновый сигнал и усиливают полезное свечение.
Под действием относительно слабого лазера люминофоры начинают излучать свет во все стороны. Большая его часть покидает микросферу и превращается в фон, однако часть излучения остается внутри. Свет многократно отражается от границы сферы, подхватывает излучение других нанокристаллов и в результате становится в сотни раз ярче.
Эксперименты подтвердили, что микросферы подавляют побочные сигналы и многократно увеличивают яркость света, удерживаемого внутри резонатора. Изменяя последовательность и параметры наносимых слоев, можно настраивать характеристики излучения под конкретную задачу. Использованные компоненты нетоксичны, поэтому структуры предполагается применять для анализа биологических образцов.
В дальнейшем ученые намерены объединить новую разработку с ранее созданным материалом, который более чем в 10 тыс. раз повышает чувствительность рамановской спектроскопии. Этот метод позволяет определять химический состав сложных смесей, включая кровь, природную воду и продукты нефтепереработки.
«В будущем мы планируем совместить проведенные ранее исследования и на основе этих результатов создать структуру типа “лаборатория на чипе” с возможностью параллельного детектирования аналита на детекторном и аналитическом каналах. Также мы проанализируем устойчивость гибридных структур в жидких средах, их отклик на сложные многокомпонентные пробы, определим пределы обнаружения и избирательность на модельных соединениях для различных архитектур микросфер», — рассказал руководитель проекта, заведующий лабораторией Университета ИТМО Кирилл Богданов.
Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Optics and Laser Technology. Оптические микрорезонаторы применяют при разработке миниатюрных лазеров, биомедицинских датчиков и защитных меток, однако многие существующие образцы требуют мощных источников излучения или изготавливаются из материалов, несовместимых с биологическими объектами.
