Графен и плазмонный резонанс для будущего медицины
Кандидат химических наук Максим Абаев
Один из первых биосенсоров, которым продолжительное время пользовались шахтёры, назывался «канарейка в клетке».
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.
Статьи по теме
Читайте в любое время
