Разработан инновационный композитный материал, состоящий из полимерных микросфер, украшенных золотыми наночастицами. Этот материал способен увеличить интенсивность сигнала рамановской спектроскопии более чем в 10 000 раз. Хотя рамановская спектроскопия является мощным инструментом для идентификации и количественного определения веществ, ее применение было ограничено из-за недостаточной чувствительности при анализе низких концентраций молекул, особенно в сложных образцах вроде крови, природных вод или нефтепродуктов.
Созданные композитные материалы значительно повысили аналитическую чувствительность, позволяя выявлять даже мельчайшие примеси в сложных смесях. Это открывает возможности для их применения в различных областях, включая контроль качества моторных масел и фармацевтических средств, а также в сфере экологического мониторинга для обнаружения вредных загрязнителей. Данное исследование, получившее поддержку Российского научного фонда (РНФ), было опубликовано в научном издании Journal of Materials Chemistry C.
Рамановская спектроскопия — это высокоточный аналитический метод, предназначенный для определения химического состава веществ и их количественного содержания в смесях. Принцип его работы заключается в воздействии на образец лазерным излучением с заданной длиной волны и последующей регистрации рассеянного молекулами света. Получаемые таким образом рамановские спектры уникальны для каждого соединения, служа своеобразным молекулярным «отпечатком пальца».
Низкая вероятность рамановского рассеяния является основной причиной ограниченной чувствительности метода, что затрудняет обнаружение мизерных концентраций молекул, особенно в многокомпонентных образцах, таких как биологические жидкости или нефтепродукты. Эту сложность можно преодолеть, используя группы наночастиц, которые способствуют усилению взаимодействия вещества со светом и, как следствие, увеличению аналитического сигнала. Традиционно для этой цели применяют наночастицы серебра или золота. Серебряные наночастицы, несмотря на их значительное усиливающее действие, обладают высокой химической активностью, что может привести к их окислению или нежелательным реакциям с анализируемыми веществами, искажая результаты. Золотые наночастицы более стабильны, но их усиливающий эффект менее выражен, что побуждает ученых к поиску более эффективных методов усиления сигнала рассеяния.
Исследователи из Университета ИТМО (Санкт-Петербург), представляющие как физическое, так и химическое направления, успешно создали композитные материалы. Эти материалы, состоящие из полимерных микросфер, покрытых золотыми наночастицами, предназначены для значительного усиления сигнала при использовании рамановской спектроскопии.
Для разработки этих частиц ученые исследовали два различных метода с целью определить наиболее эффективный. Первый подход, который широко используется в создании наноматериалов, заключался в нанесении на полимерные микросферы специального полимерного слоя, выполняющего функцию связующего элемента для золотых наночастиц.
Второй метод предполагал использование наночастиц, стабилизированных аскорбатом (производным аскорбиновой кислоты). Этот подход позволил отказаться от нанесения дополнительного полимерного слоя на микросферы, что значительно упростило и снизило стоимость их изготовления.
Исследователи тщательно изучили микроструктуру созданных микросфер и характер распределения золотых наночастиц по их поверхности, а также провели компьютерное моделирование, подтвердившее результаты экспериментов. Было установлено, что наночастицы, стабилизированные аскорбатом, формировали на микросферах плотные скопления, что имеет решающее значение для эффективного усиления рамановского сигнала. Дальнейшие испытания подтвердили, что второй метод нанесения наночастиц обеспечивает более высокую плотность золотого покрытия на полимерных сферах, увеличивая сигнал более чем в 14 000 раз. В отличие от этого, микросферы, созданные по первому, традиционному методу, показали усиление сигнала только в 7 500 раз.
Микросферы прошли тестирование в реальных условиях: для оценки качества моторных масел и выявления динитрофенола – токсичного соединения, применяемого в производстве красителей и пестицидов – в водной среде. Применение разработанных «усилителей сигнала» позволило с помощью рамановской спектроскопии успешно определить различия между новым и использованным моторным маслом. Ранее это было невозможно из-за сильной флуоресценции самого масла. Более того, новый метод продемонстрировал способность обнаруживать концентрации динитрофенола в 100 раз ниже, чем те, что доступны при стандартной рамановской спектроскопии.
«Мы синтезировали золотые наночастицы, заменив традиционный восстановитель – цитрат натрия – на аскорбат калия, и обнаружили, что полученные наночастицы проявляют метастабильность, склонность к агрегации и слипанию со временем. Впоследствии мы решили попробовать осадить эти наночастицы на заряженные микросферы, с которыми уже долгое время продуктивно сотрудничают наши коллеги-физики. Это привело к превосходному междисциплинарному результату. По моему мнению, разработанные нами усиливающие микросферы являются идеальным решением для анализа моторных масел, позволяя точно определять их состав и выявлять любые примеси», — поясняет Евгений Смирнов, ведущий исполнитель проекта, поддержанного грантом РНФ, кандидат химических наук и профессор Научно-образовательного центра инфохимии Университета ИТМО.
