Ефекти та механізми підсилення оптичних переходів біоорганічних молекул на металевій поверхні

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗИКИ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ЕФЕКТИ ТА МЕХАНІЗМИ ПІДСИЛЕННЯ ОПТИЧНИХ ПЕРЕХОДІВ БІООРГАНІЧНИХ МОЛЕКУЛ НА МЕТАЛЕВІЙ ПОВЕРХНІ

Спеціальність: Оптика, лазерна фізика

ФЕСЕНКО ОЛЕНА МАР'ЯНІВНА

Київ, 2007 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Внаслідок активного розвитку нанотехнологій зараз велика увага приділяється дослідженню оптичних властивостей наноструктур та їх взаємодії з біологічними молекулами. Перспективним є те, що змінюючи розмір та форму наночастинок металів або напівпровідників, можна узгоджувати їхні оптичні характеристики (частоту плазмонних або поляритонних коливань) з оптичними характеристиками (частотою поглинання) біоорганічних молекул, розміщених поблизу цих наноструктур. Для дослідження структури та ідентифікації типів зв'язків молекул використовують різні експериментальні методи. Однак робота з біологічними молекулами часто накладає обмеження на застосування традиційних методик та вимагає специфічних підходів і методів визначення наявності біологічних молекул та їхнього конформаційного стану. Тому нині особливу увагу приділяють розвитку експериментальних методів, за допомогою яких можна досягти збільшення інтенсивності оптичних процесів поблизу шорсткої поверхні або острівцевої плівки металів.

У дисертації досліджується ефект підсилення металевою поверхнею інфрачервоного (ІЧ) поглинання адсорбованих молекул (SEIRA - surface enhanced infrared absorption). Ефект SEIRA відкрито 1980 року Харстейном та його колегами. Вони помітили, що ІЧ поглинання молекул можна підсилити до 10-103 разів, якщо молекули адсорбуються на тонких шорстких або острівцевих плівках Au або Аg. Цей ефект подібний до підсиленого поверхнею комбінаційного розсіяння (SERS - surface enhanced Raman scattering). Осава разом з Ікедою 1991 року назвали підсилення металевою поверхнею ІЧ поглинання адсорбованих молекул ефектом SEIRA по аналогії з ефектом SERS. Через те, що фактор підсилення в ефекті SEIRA менший порівняно з SERS, цей ефект не отримав раніше належної уваги. Досі триває пошук та створення нових SEIRA-підсилюючих поверхонь. З одного боку, існує необхідність створити поверхні, які б забезпечували підсилення лише певних молекулярних груп, що дасть змогу досліджувати структурні особливості макромолекул. Для цього підходять SEIRA-активні поверхні з сильним зв'язком адсорбент-адсорбат, що забезпечать так званий “молекулярний” механізм підсилення. З іншого боку, існує потреба створити універсальні SEIRA-активні поверхні, на яких ефект підсилення не залежав би від властивостей адсорбованих молекул, а був би пов'язаний лише з оптичними характеристиками металевих поверхонь.

Підсилення ІЧ поглинання молекул, які знаходяться поблизу таких поверхонь, зумовлене “електромагнітним” механізмом підсилення і не залежить від хімічної природи адсорбента. Такі поверхні можна використати для створення універсальних систем детектування і дослідження надмалих кількостей біологічних молекул.

У дисертації експериментально досліджено вплив найважливіших чинників (типу молекулярних груп, товщини та геометрії поверхні металевої плівки, різних методів адсорбції) на ефект SEIRA. Ці дослідження важливі для перевірки існуючих теорій ефекту SEIRA, а також для подальшого його практичного застосування в ІЧ спектроскопії, біології та медицині.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів наукової діяльності відділів фізики біологічних систем та фізичної електроніки Інституту фізики НАН України в межах тем: “Дослідження структурних особливостей та нелінійної динаміки біологічних макромолекул та утворених ними структур” (2002-2004, № Держреєстрації 0102U000596), “Дослідження фізичних принципів структурної організації та динамічної поведінки біологічних макромолекул” (2005-2007, № Держреєстрації 0105U001136), “Дослідження квантоворозмірних явищ у наноструктурах на основі металів, напівпровідникових і органічних сполук” (2002-2006, № Держреєстрації 0102U006971).

Мета і завдання дослідження. Метою даної дисертаційної роботи є експериментальне вивчення ефекту та механізмів підсилення оптичних переходів біоорганічних молекул поблизу наноструктурованої поверхні металу. Для досягнення поставленої мети розв'язували такі задачі:

1) розробка чутливої методики на основі ефекту SEIRA для реєстрації і визначення структурних особливостей біологічних молекул;

2) визначення оптимальних параметрів наноструктурованих поверхонь (типу металу, геометрії поверхні, умов нанесення) для отримання максимального підсилення ІЧ поглинання адсорбованими молекулами;

3) комплексні дослідження різних біоорганічних молекул на острівцевій та шорсткій поверхні металу методами: спектроскопії в ІЧ, видимій та ультрафіолетової (УФ) області, поверхневого плазмонного резонансу (ППР), атомної силової мікроскопії (АСМ) та тунельної мікроскопії. Встановлення зв'язку між типом адсорбованої молекули і коефіцієнтом підсилення ІЧ поглинання в ефекті SEIRA;

4) визначення конформаційних станів дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) та альбуміну при їхній адсорбції на наноструктуровану поверхню металу;

5) узагальнення результатів проведених спектроскопічних досліджень для різних біоорганічних молекул.

Об'єктом дослідження були коливальні стани біоорганічних молекул: гуаніну (G), гліцину (a-Gly), бичачого сироваткового альбуміну (БСА), ДНК, кислоти (п-НБК), тріс-дібензоїлметанатобатофенантроліну європію (Eu(DBM)3bath) адсорбованих на метали (Au, Ag, Cu) з різним нанорельєфом поверхні. Предметом дослідження були ефект та механізми підсилення оптичних переходів біоорганічних молекул тонкими металевими плівками з різною топологією поверхні.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети було застосовано такі методи: ІЧ фур'є-спектроскопія поглинання та відбивання, УФ спектроскопія, метод ППР, аналіз спектрів за допомогою розкладу контуру на компоненти, АСМ та тунельна мікроскопія, статистичний аналіз для вивчення геометричних параметрів наноструктурованої поверхні металів.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Досліджено ефект SEIRA і механізми підсилення оптичних переходів для різних біоорганічних молекул (G, a-Gly, БСА, ДНК, п-НБК, Eu(DBM)3bath), адсорбованих на шорсткі поверхні та острівцеві плівки металів (Au, Ag, Cu). Отримано низку результатів щодо конформаційних станів важливих макромолекул (БСА, ДНК) на металевих поверхнях;

2. Вперше проведено систематичне дослідження впливу низки факторів (типу та геометрії шорсткої поверхні металу, способів осадження молекул, pH, типу молекулярних груп) на підсилення ІЧ поглинання біоорганічних молекул поблизу наноструктурованої поверхні металу;

3. Показано, що максимальне підсилення ІЧ поглинання біологічних молекул забезпечують плівки золота товщиною 200-250 Е, з середнім розміром шорсткостей по висоті 10-20 Е, з протяжністю 200-900 Е, еліпсоїдальної форми;

4. Показано, що значне підсилення (більше ніж у 100 разів) вдається зареєструвати лише для плівок товщиною порядку моношару молекул альбуміну та п-НБК. Фактор підсилення поглинання для багатошарових плівок можна збільшити в 3-12 разів у випадку, коли досліджувані молекули знаходяться близько біля металу;

5. Розроблено нову чутливу методику для реєстрації ІЧ-спектрів та визначення структурних особливостей біоорганічних молекул на основі ефекту SEIRA.

Практичне значення одержаних результатів. Застосування ефекту SEIRA дає змогу збільшити ймовірність ІЧ переходів та виявити низку спектральних проявів структурних особливостей біологічних молекул. Знайдено умови для збільшення ефективності ефекту SEIRA.

Завдяки цьому вдалося зареєструвати шар близький за товщиною до моношару молекул альбуміну та п-НБК. Встановлено вплив хімічного травлення і термічного відпалу на топологію поверхні металу та на підсилення в ефекті SEIRA. Отримані результати можна надалі використати для створення зручного і чутливого ІЧ-сенсора на основі ефекту SEIRA для детектування малих кількостей речовини та конформаційного аналізу біологічних молекул.

Публікації. Основні матеріали дисертації опубліковано в 23 працях, серед них 7-м статей у наукових фахових журналах та 16 тез доповідей на міжнародних конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація містить вступ, п'ять розділів та висновки. Повний обсяг дисертації складає 168 стор., що містить 74 рисунки, 1 гістограму розподілу, 12 таблиць. Список використаних літературних джерел - 178 найменувань на 19 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі дисертації зроблено короткий огляд наукових публікацій, в яких описано дві групи ефектів збільшення інтенсивності оптичних процесів поблизу шорсткої поверхні або острівцевої плівки металів. До першої групи явищ, в яких проявляється підсилення оптичних переходів біоорганічних молекул поблизу металевої поверхні, належить гігантське комбінаційне розсіяння (ГКР) світла, підсилене поверхнею ІЧ поглинання (SEIRA), люмінесценція. До другої групи входять процеси, які не залежать від наявності адсорбованої молекули на металі, наприклад, підсилення гіганської другої гармоніки (ДГ). Суттєво, що існує зв'язок між цими явищами, наприклад, між ГКР світла і підсиленням генерації ДГ. Це вказує на існування універсального механізму підсилення оптичних явищ. Із накопиченням експериментальних даних було виявлено один з основних механізмів, який дозволяє найбільш повно і несуперечливо інтерпретувати особливості підсилення оптичних процесів. Цей механізм - локальне підсилення електричного поля зовнішньої хвилі внаслідок збудження локальних (поверхневих) плазмонних коливань у шорсткостях поверхні або в наночастинках металу і визначається структурою неоднорідностей поверхні, діелектричними властивостями металу та оточуючого середовища. Підсилення оптичних явищ має місце для частот, комплексна діелектрична проникність металу, що межує з діелектриком.

Ці співвідношення є необхідними умовами існування та високої “добротності” поверхневих електромагнітних мод, які виникають в неоднорідностях металевої плівки. Другий механізм підсилення полягає в зростанні дипольного моменту переходу адсорбованих молекул поблизу металевої поверхні (молекулярна складова підсилення).

У розділі описано властивості поверхневих електромагнітних хвиль і локальних плазмонних коливань, які збуджуються на металевій поверхні. Проаналізовано наближення ефективного середовища для опису оптичних властивостей наноструктурованих металевих плівок. Аналіз літератури показав, що структура реальних підсилюючих систем (острівцеві та шорсткі тонкі плівки металу) та її зв'язок з підсиленням оптичних процесів настільки складні, що досі є актуальними системні дослідження впливу морфології поверхні та структури біологічних молекул на підсилення оптичних процесів поблизу металу.

У другому розділі описано метод ІЧ фур'є-спектроскопії, який характеризується високою інформативністю та чутливістю і належить до неруйнуючих експериментальних методів аналізу біоорганічних молекул та дає змогу проводити якісний і кількісний аналіз зразків у будь-якому агрегатному стані, розшифровувати невідому структуру та ідентифікувати речовину. Але дослідження біологічних молекул часто потребують специфічних підходів та методів. Тому нами запропоновано методику реєстрації спектрів на основі ефекту SEIRA, який виникає внаслідок зміни оптичних характеристик молекул при їх адсорбції на поверхню металевих наноструктур, які є акумуляторами та підсилювачами падаючого та відбитого випромінювання. Ефект SEIRA дає змогу збільшити ймовірність ІЧ переходів та виявити структурні особливості біологічних молекул. Дослідження ефекту SEIRA проводили за допомогою серійного фур'є-спектрометра Bruker IFS-66 (Німеччина) в області 400 - 4000 см^-1 у геометрії на відбивання і пропускання. Обробку спектрів здійснено за допомогою програми Opus-5.5, що входить до складу Bruker IFS-66 та програми OMNIC, розклад складних смуг на компоненти здійснювався програмою PeakFit.

Аналіз різних експериментальних геометрій застосування ефекту SEIRA, таких як порушене повне внутрішнє відбивання (ППВВ), пропускання та ІЧ поглинання у відбиванні показав, що всі вони перспективні та взаємодоповнюють одна одну при дослідженні біологічних молекул. Зокрема, геометрію на відбивання можна використовувати для дослідження плівок біологічних молекул, які нанесені на шорсткі поверхні металу. Геометрію ППВВ можна застосовувати як для дослідження порошків, так і для рідин, які нанесені на плоску поверхню металу. Це єдина можлива геометрія, якщо рідина сильно поглинає в ІЧ області.

Для збільшення чутливості реєстрації потрібно використовувати призми з багатократним відбиванням. Геометрію на пропускання доцільно використовувати для дослідження тонких плівок біологічних молекул, які осаджені на острівцеву плівку металу. У цьому розділі також описано застосовану методику виготовлення металевих плівок та мікроскопічні методи дослідження топології їхньої поверхні (AСM, електронна мікроскопія).

У третьому розділі подано теоретичні основи та описано механізми підсилення в ефекті SEIRA. Інтерпретація ефекту SEIRA є аналогічною до SERS і містить два основних механізми: електромагнітний, який полягає у підсиленні зовнішнього електромагнітного поля поблизу шорсткої металевої поверхні внаслідок взаємодії з поверхневими або локальними плазмонами, та молекулярний, який пов'язаний із зростанням дипольних моментів переходів та зміною поляризовності адсорбованих молекул біля поверхні металу. Енергія падаючих фотонів збуджує оптичні переходи в адсорбованих молекулах та поверхневі (локальні) плазмонні коливання в острівцях або шорсткостях поверхні металу.

Плазмони - колективні коливання електронної густини є резонансами, частота яких визначається формою границі поверхні та густиною електронних станів.

Виходячи з залежності діелектричної функції від частоти для металів та умов, за яких спостерігається явище підсилення, можна говорити про наявність ненульової густини електронних станів у ІЧ області, про збудження світлом цих станів та появу додаткового локального поля.

Енергія від плазмонних коливань передається адсорбованим молекулам, що зумовлює збільшення поглинання цими молекулами. Теоретична інтерпретація ефекту підсилення подана у загальному вигляді В. Кособукіним. Ефективний переріз процесу взаємодії світла з молекулою, адсорбованою на металеву поверхню, можна записати:

Де:

qa(0) - переріз для вільної молекули за відсутності металу (E = E0);

g (r, щ) - коефіцієнт підсилення електричного поля;

h(r) - коефіцієнт підсилення дипольного моменту адсорбованої молекули.

Підсилення електромагнітного поля залежить від форми та розміру неоднорідностей металевої плівки, а також діелектричних властивостей металу і довколишнього середовища та визначається, в основному, функцією діелектричної проникності металу:

Тому розрахунковий коефіцієнт підсилення електромагнітного поля в ефекті SEIRA розраховано як відношення дійсної та уявної частини діелектричної проникності металу на відповідній частоті:

Було розраховано коефіцієнти підсилення електричного поля для таких металів: Ag, Au, Cu, Mo, Pt, Ni, Ir.

Розрахунки показали, що Au, Ag та Cu є найбільш вдалими підсилюючими поверхнями в ІЧ області, серед них золото - хімічно інертне, що й зумовило його вибір для подальших досліджень. Експериментальний коефіцієнт підсилення ІЧ поглинання в ефекті SEIRA знаходився як відношення інтегральної інтенсивності смуги поглинання відповідної молекулярної групи на металевій поверхні до інтенсивності смуги поглинання цієї молекулярної групи на нейтральній підкладці:

На прикладі молекул a-Gly нами експериментально досліджено прояв двох основних механізмів підсилення в ефекті SEIRA: електромагнітного та молекулярного. Досліджено вплив способу осадження і товщини плівки адсорбованих на золоті молекул на ефект SEIRA. Для цього порівнювали поглинання плівки молекул a-Gly, осадженої з водного розчину і термічно напиленої у вакуумі на CaF2 та поверхню золота з наношорсткістю ~13 нм. Зразки, які осаджували з розчину, перед вимірами ліофільно висушували. Гліцин з порошку термічно напиляли у вакуумі на підкладку зі швидкістю 1-1,5 нм/с при температурі 250-255?C. Товщина плівки a-Gly, виміряна мікроінтерферометром Лінника МИИ-4, не перевищувала 385 ± 5 нм і для напиленої, і для осадженої плівки.

Таблиця 1. - Коефіцієнт підсилення поглинання молекул a-Gly, осаджених різними методами:

Порівнюючи ІЧ спектр поглинання молекул a-Gly, осаджених з розчину, і термічно напилених, можна стверджувати, що при термічному напиленні не відбувається розпаду молекули гліцину.

З табл. 1 видно, що найбільше підсилення ІЧ поглинання спостерігається для NH3+ та COO- груп. Тому можна припустити, що молекули a-Gly просторово орієнтовані так, що наближаються групами NH3+ і COO- до поверхні золота. Враховуючи те, що сусідні молекули a-Gly розміщені у плівці дуже близько одна до одної (на віддалі 2-3 Е), міжмолекулярна взаємодія між ними більша, ніж взаємодія між молекулами a -Gly і золота. Це, можливо, одна з причин малого підсилення ІЧ поглинання для молекул a-Gly, осаджених з розчину на шорстку поверхню золота. Тільки після термічного вакуумного напилення вдається певним чином орієнтувати молекули a-Gly на поверхні золота і досягти підсилення поглинання у 2-13 разів (табл. 1).

Електромагнітний механізм підсилення пов'язаний із підсиленням електричного поля біля поверхні металу, яке загасає при віддалені від поверхні. При термічному напиленні молекули a-Gly розташовуються ближче до поверхні золота, ніж при осадженні з розчину.

Тому на них діє сильніше електричне поле, що сприяє більшому їхньому поглинанню.

Аналізуючи дані наведені в табл. 1 для експериментального коефіцієнта підсилення, можна зробити висновок, що поглинання різних молекулярних груп підсилюється по-різному, тоді як для розрахункового коефіцієнта підсилення величина підсилення монотонно зменшується з частотою світла. Це вказує на те, що крім електромагнітного механізму існує інший механізм, який залежить від типу молекулярних груп та їх просторового розміщення відносно наноструктурованої поверхні золота. Після термічного напилення поглинання молекул a-Gly збільшується в області 3300-1300 cм^-1, хоча для цих же молекул, осаджених з розчину, спостерігається зростання підсилення ІЧ поглинання в області 1300-500 cм^-1.

Отже, для збільшення підсилення необхідно максимально наблизити молекули до поверхні металу, як це було зроблено за майже одночасного напилення a-Gly і золота на нейтральну підкладку СaF2. При цьому спостерігалось краще розділення смуг поглинання a-Gly та проявилась смуга на 1437 см^-1, яка спостерігається також для газової форми молекул a-Gly. Це може вказувати на те, що плівка гліцину розділяється наноструктурами золота, тобто утворюється композитна плівка Au та молекул a-Gly.

Молекула a-Gly у конденсованому стані перебуває у цвіттеріоній формі, але при термічному напиленні формується плівка, в якій співіснують молекули a-Gly в цвіттеріоній та молекулярній (нейтральній) формі. Незважаючи на те, що плівки молекул a-Gly при напиленні на золото мали товщину ~300 нм, нам вдалось зареєструвати суттєве підсилення ІЧ поглинання для молекул a-Gly (в 10-12 разів). Тому можна припустити, що підсилюється поглинання не лише для шарів молекул, що розташовані близько до золота (~10-50 нм), але й дальних. Тобто, існує і короткодіюча, і далекодіюча компоненти підсилення. Це дає змогу використовувати ефект SEIRA для чутливих спектроскопічних досліджень як для моношарів так і для багатошарових плівок речовини.

Молекулу a-Gly використано нами також для вивчення молекулярного механізму підсилення ІЧ поглинання в ефекті SЕIRA. Ця молекула містить дві групи з протилежними властивостями: карбоксильну групу (кислотну) та аміногрупу (з основними властивостями). При нейтральному pH молекула a-Gly перебуває в цвіттеріоній формі, при підвищенні чи пониженні pH молекула переходить в моноіонну форму. Усі амінокислоти при pH поводять себе одночасно як кислоти (донори протонів) і як основи (акцептори протонів). При pH на золоті спостерігалось зміщення положення та уширення смуги валентного коливання групи NH2 з 3391 до 3385 cм^-1, а також зміщення смуги COO- у низькочастотну область.

Однак не відбувалось підсилення ні COO- групи, ні інших груп. У цьому випадку можна припустити, що золото впливає на “акцепторні” властивості молекул a-Gly. Тобто, золото впливає на орієнтацію молекул a-Gly на поверхні, притягує до себе електронну оболонку молекулярних груп СОО- і NH2, а також впливає на процес передачі протона з одної молекулярної групи до іншої між молекулами a-Gly у плівці.

При pH = 2 для молекул a-Gly на золоті спостерігали збільшення інтенсивності смуги COOH валентного коливання на 1745 cм^-1 у 10 разів та підсилення водневих зв'язків обох валентних на 3167 cм^-1 і деформаційних на 1604 cм^-1 NH3+ коливань. Наявність смуги на 1745 cм^-1, яка відноситься до валентного коливання C = O у групі COOH, вказує на існування катіонів a-Gly у плівці. Із підвищенням pH ця смуга зникає.

При pH = 2 можна припустити наявність також деякої кількості молекул a-Gly у цвіттеріоній формі на золоті. Про це свідчить смуга 1424 cм^-1, яку відносять до симетричного валентного коливання групи COO-. При цьому вдалось зареєструвати на золоті обертони для тонкої плівки (250-275 нм) a-Gly в області 2200-2800 cм^-1, які зазвичай можна зареєструвати лише в товстих монокристалах. Ми припускаємо, що золото при низькому рН впливає на “донорні” властивості молекул a-Gly та на реорганізацію водневих зв'язків. Крячко вказує на можливість виникнення нетрадиційних специфічних “якірних” водневих зв'язків N-Hu та O-Hu. При цьому спостерігається зміщення смуг:

Для амінокислот є характерним утворення мідних солей, що мають специфічний синій відтінок. Ці речовини є внутрішніми комплексними солями: у них атом Cu зв'язаний не лише з атомами кисню, але й з атомами азоту аміногруп.

При осадженні молекул a-Gly на поверхню Cu змінювався колір зразка, набуваючи голубого відтінку та з'явились нові смуги у спектрі поглинання, тобто утворились комплекси a-Gly з Cu. Внаслідок хімічної адсорбції молекул a-Gly на поверхню Cu зростав коефіцієнт підсилення ІЧ поглинання в ефекті SEIRA. Крім вивчення ефекту SEIRA на шорстких поверхнях металу (Au, Cu) було проведено дослід з негативно зарядженими колоїдними частинками Au діаметром 315-4000 Е. При адсорбції молекул a-Gly на колоїдне золото з'являється характерна смуга на 1269 см^-1, яку можна віднести до коливання групи NH2. Коефіцієнт підсилення у цьому випадку становив 2-3 рази для різних молекулярних груп. Поява смуги дає підставу припустити, що відбувається електростатична взаємодія між позитивно зарядженою групою NH3+ та від'ємно зарядженим колоїдним золотом. Внаслідок цієї взаємодії молекула a-Gly переходить у монойонну форму.

У четвертому розділі представлено результати аналізу топології поверхні тонких металевих плівок та її вплив на ефект SEIRA. Досліджено серію плівок золота різної товщини (170-450 Е), отриманих за різних умов напилення і відпалу (T = 120 та 240-250?С), що дозволило охопити різні топології поверхні. Плівки одержували термічним випаровуванням Au чистотою 99,999% у вакуумі при тиску 10^-6-10^-7 Торр на прозорі скляні пластини при кімнатній температурі зі швидкістю осадження ~ 1-2 нм/с. У процесі осадження Au товщину плівок контролювали за допомогою кварцового резонатора і характеризували так званою “масовою” товщиною. Проведено виміри спектрів поглинання, відбивання та пропускання золотих плівок за допомогою спектрофотометра СФ-2000 у діапазоні довжин хвиль від 300 до 1000 нм. Для цих плівок золота різної товщини було розраховано спектри відбивання та поглинання у видимій області. Використовуючи узагальнене симетричне наближення Бруггемана для ефективного середовища, отримано добре узгодження експериментальних та розрахованих спектрів для цих плівок, що підтверджує точність визначення їхньої товщини. Морфологію поверхні вивчали за допомогою АСМ типу NanoScope ІІІа, Digital Instrument. Як підкладки використовували пластини скла двох типів:

Які відрізнялись способом і якістю полірування поверхні. На них напиляли золоті плівки різної товщини (170, 250, 350, 450 Е) з адгезійним шаром Сr товщиною 50 Е та золоті плівки товщиною 250, 350, 450 Е без адгезійного шару Сr.

Виявлено різний вплив відпалу на тонкі, майже острівцеві (170, 250 Е) та суцільні плівки золота (350, 450 Е).

Наприклад, у тонких плівках золота відпал при Т = 250?С призводить до збільшення геометричних розмірів шорсткості, а в товстих плівках відпал зменшує кількість шорсткостей та їхні розміри - нанорельєф стає плавним і згладженим. Прояв відпалу залежить не лише від товщини плівки, але й від температури і часу впродовж якого він відбувається.

Для визначення середньо-статистичних геометричних параметрів шорсткості (або острівців) профіль поверхні отримано нами з АСМ вимірів, проведених в режимі періодичного контакту, скануванням на ділянці 2х2 мкм (256х256 точок).

Статистичні геометричні параметри можна описати автоковаріаційною (або автокореляційною) функцією (AКФ):

Де:

N - кількість точок в одному перерізі;

AКФ є вимірюванням “самоподібності” профілю.

Якщо поверхня випадкова, АКФ швидко прямує до нуля. Для поверхонь із Гаусівською шорсткістю. Нами досліджено вплив топології поверхні золота на підсилення ІЧ поглинання молекул a-Gly.

Таблиця 2. - Середні геометричні параметри (д, у) шорсткості (або острівців) золотої поверхні та коефіцієнт підсилення ІЧ поглинання (g) молекул a-Gly для групи NH:

Для цього молекули a-Gly з водного розчину концентрацією 0,5 мг/мл по 5 мкл осаджували на різні поверхні золота.

ВИСНОВКИ

У дисертації вперше проведено систематичне дослідження впливу низки факторів (типу та топології поверхні, способів осадження, структури молекул, pH) на підсилення ІЧ поглинання біоорганічних молекул (G, a-Gly, БСА, ДНК, п-НБК, комплексу Eu(DBM)3bath), адсорбованих на наноструктуровану поверхню металу:

1. На підставі ефекту SEIRA розроблено методику детектування малих кількостей біологічних молекул, моношарів та визначення конформаційних станів макромолекул - ДНК і білків;

2. Показано, що шорстку металеву поверхню можна ефективно застосовувати для визначення конформаційного стану складних макромолекул - білків та ДНК. Шорстка поверхня плівки золота не впливає на конформацію молекул БСА та ДНК порівняно з колоїдним золотом, яке індукує перехід окремих частин ДНК в А, B та Z форму;

3. Експериментально досліджено вплив типу металу та топології його поверхні (форми та розміру шорсткостей, товщини плівки) на ефект SEIRA. Визначені умови виготовлення металевих поверхонь і способів осадження молекул для отримання максимального підсилення сигналу в ІЧ спектрах. Максимальне підсилення забезпечують плівки золота товщиною 170-250 Е, з середньою висотою шорсткості 10-20 Е та діаметром 200-900 Е (еліпсоїдальної форми). Використовуючи експериментальні значення оптичних констант n і к для деяких металів (Ag, Au, Cu, Mo, Pt, Ni, Ir) розраховано коефіцієнти підсилення електричного поля біля їх поверхні. Розрахунки показали, що Au, Ag та Cu - найвдаліші підсилюючі поверхні в ІЧ області;

4. Поглинання різних молекулярних груп підсилюється по-різному. Найкраще підсилюється поглинання структурних груп типу кілець з р-електронною системою та груп з неподіленою парою електронів. Зареєстровано значне підсилення (~100 разів) для тонких шарів БСА близьких до моношарів та порядку 200 разів для молекул п-НБК у випадках, коли молекули регулярно організовані або хімічно адсорбовані на шорстку поверхню золота; оптичний метал електромагнітний

5. Для багатошарових плівок (G, a-Gly, ДНК, БСА, комплексу Eu(DBM)3bath) підсилення поглинання було 2-7 разів для різних молекулярних груп. Коефіцієнт підсилення поглинання для багатошарових плівок молекул можна збільшити в 3-12 разів у випадку, коли молекули близько знаходяться біля металу (продемонстровано на плівках, отриманих термічним вакуумним напиленням молекул a-Gly порівняно з плівками, осадженими з водного розчину).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Dovbeshko G.I., Paschuk O.P., Fesenko O.M., Chegel V.I., Shirshov Yu.M, Nazarova A.A., Kosenkov D.V. Biological Molecule Conformations Probed and Enhanced by Metal and Carbon Nanostructures: SEIRA, AFM and SPR data // Book “Fronties of Multifunctional Integrated Nanosystems”, Ed. E. Buzaneva, P. Scharff. - G.: Kluwer Publishers, 2004. - Science Series II, Vol 152. - P. 447-466.

2. Dovbeshko G.I., Fesenko O.M., Shirshov Yu.M., Chegel V.I. The enhancement of optical processes near rough surface of metals // Semiconductor, Quantum Electronics and Optoelectronics. - 2004. - Vol. 7, №4. - P. 411-424.

3. Dovbeshko G., Fesenko O., Chegel V., Shirshov Yu., Kosenkov D., Nazarova A. Effect of nanostructured gold surface on the SEIRA spectra of nucleic acid, аlbumin, a-Glycine and Guanine // Asian Chemistry Letter. - 2006. - Vol. 10, №1-2. - P. 33-48.

4. Довбешко Г.І., Образцова О.Д., Фесенко О.М., Яковкін К.І. Реактивність одностіних вуглецевих нанотрубок при взаємодії з біологічними макромолекулами - ДНК і білками // Sensor Electronics and Microsystem Technologies. - 2006. - Vol. 1. - P. 36-46.

5. Dovbeshko G., Fesenko O., Nazarova A. Effect of nanostructured metal surface on SEIRA spectra of albumin and nucleic acids // Journal of Physical Studies. - 2006. - Vol. 10, №2. - P. 127-134.

6. Dovbeshko G.I., Shirshov Yu.M., Chegel V.I., Fesenko O.M. Experimental and calculated enhancement factor in the SEIRA method // SPIE. - 2004. - Vol. 5507. - P. 386-395.

7. Dovbeshko G., Fesenko O., Fedorovich R., Gavrilko T., Marchenko A., Puchkovska G., Viduta L., Naumovets A. FTIR spectroscopic analysis and STM studies of electroluminescent Eu(DBM)3bath thin films vacuum deposited onto Au surface // Journal of Molecular Structure. - 2006. - Vol. 792-793. - P. 115-120.

8. Довбешко Г.І., Ширшов Ю.М., Фесенко О.М. Механізми та застосування ефекту підсилення оптичних переходів поблизу поверхні металів // Тез. доп. ІІІ-го з'їзду українського біофізичного товариства. Львів, 8-11 жовт. 2002. - Львів, 2002. - C. 120.

Размещено на Allbest.ru