Разработка методики формирования плазмонных наночастиц в форме диска с двумя отверстиями для биосенсорных приложений

Введение

Объекты, имеющие наноразмеры, обладают так называемыми квантовыми размерными эффектами. Главной причиной изменения физических и химических свойств наночастиц является рост относительной доли атомов, расположенных на поверхности и вследствие этого находящихся в иных условиях (координационное число, симметрия локального окружения и т.п.), чем атомы внутри структуры. Уникальные свойства наночастиц, возникающие за счёт поверхностных или квантово-размерных эффектов, являются объектом интенсивных исследований.
К настоящему времени свойства и методы получения плазмонных наноматериалов достаточно изучены, но при этом они широко реализованы только в сфере биохимических и биомедицинских исследований, где оправдано использование дорогостоящего оборудования. В настоящее время их уже широко применяют при диагностике исследуемых образцов на глюкозу, мочевину, гормоны, содержание лекарственных препаратов и анализов ДНК, для иммунологических анализов белков.
Плазмонные наноматериалы обладают большим потенциалом для усовершенствования методов физико-химического анализа и диагностики в сфере биохимических и биомедицинских исследований. Перспективность использования плазмонных наноматериалов обусловлена высокой информативностью и гибкостью методов их применения, а также возможностью создания портативных автоматизированных сенсорных устройств.
Уже возник значительный интерес к комбинации оптических технологий и экзогенных (внешних) контрастных агентов (наночастиц), предназначенных для обнаружения специфических молекулярных признаков рака, для повышения предела обнаружения, клинической эффективности визуализации и даже терапии опухолей. Оптические технологии могут дать высокое разрешение и неразрушающую функциональную визуализацию опухолей. Однако во многих случаях эти технологии ограничены как малыми интенсивностями оптических сигналов от используемых эндогенных (внутриклеточных) хромофоров, так и слабым спектральным контрастом раковых и обычных клеток. Селективность в случае применения наночастиц достигается путем прикрепления их к антителам, сопряженным с антигенами, специфическими для раковых клеток. Затем пораженный участок подвергается облучению в ближнем ИК - диапазоне. Рассеянное излучение может быть обнаружено, а опухоль – визуализирована. Так, для маркировки раковых клеток кожи применимы наностержни, размещенные на матрице из коллагена (имитирующей клетки ткани). С другой стороны, достаточно интенсивное излучение нагревает наночастицы до температуры более 70 градусов, при которой раковая клетка погибает. Излучение при этом практически не воздействует на здоровые клетки, в которых отсутствуют наночастицы.

Оглавление
Введение 3
Глава1. Биосенсоры. Плазмонный резонанс. Оптические свойства плазмонных материалов 5
Глава 2. Способы создания наноструктур 16
2.1 Методы синтеза 16
2.2 Дизайн изготовления упорядоченных наноструктур 19
2.3 Стратегия сборки коллоидов с заданными размерами и формами 25
Заключение 32
Список использованных источников 34

Заключение

Нанохимия способствует применению наноматериалов во многих областях - оптоэлектронике, композиционных системах, катализе, медицине. К важному направлению относится и создание нанохимических биологических сенсоров. Уже созданы сенсоры для определения отравляющих, токсичных и взрывчатых веществ. Разработаны также биосенсоры для медицинской диагностики. Наряду с поиском и созданием новых наноматериалов осуществляется модификация свойств существующих.
Несмотря на высокую чувствительность ППР-анализа, она часто оказывается недостаточной. На сегодняшний день предложено большое число методов, позволяющих на порядки снизить предел детекции. Некоторые из них требуют модификации конструкции прибора (например, методы измерения фазового сдвига, спектроскопии с Фурье-преобразованием и др.), другие могут быть использованы без конструктивных изменений (например, усиление с помощью наночастиц).
Важным направлением совершенствования ППР-систем является повышение производительности. В настоящее время имеются многоканальные ППР-системы и системы ППР-имиджинга, одновременно тестирующие до нескольких сотен проб и аналитов. Такие системы позволяют также быстро набирать значительную статистику измерений, повышая достоверность анализа.
ППР-детекция как аналитическое средство имеет существенные конкурентные преимущества для решения фундаментальных и прикладных задач. Для получения новых и модификации имеющихся наноматериалов необходимо углубление и расширение знаний о влиянии на физико-химические свойства размеров, формы, морфологии и самоорганизации наночастиц металлов и оксидов металлов, а также понимание кинетики и термодинамики процессов на поверхности наносистем. В частности, при использовании низких температур получены материалы с новыми и улучшенными характеристиками. При этом возможно протекание реакций, неосуществимых с крупными частицами и получение материалов с необычными свойствами.
Биосенсорика является важной и независимой областью современной аналитической химии. Потребность в биосеносрах сегодня огромна. В частности, они легко подвергаются миниатюризации и поэтому могут быть интегрированы в различные аналитические системы и даже имплантированы в организм для непрерывного мониторинга. Одним из важнейших направлений современной клинической диагностики является неинвазивная диагностика, и в этом направлении биосенсоры с их высокими чувствительностью и избирательностью имеют первостепенное значение.

Список использованных источников


1.Moores, A. The plasmon band in noble metal nanoparticles: an introduction to 132 theory and applications / A. Moores, F. Goettmann, M. C. Daniel, B. M. Quinn // New Journal of Chemistry. – 2006. – Т. 30. – № 8. – С. 1121.
2. Schasfoort, R. B. M. Handbook of surface plasmon resonance / R. B. M. Schasfoort, A. J. Tudos. – Royal Society of Chemistry, 2008. – 395 c.
3. Мамичев, Д. А. Оптические сенсоры на основе поверхностного плазмонного резонанса для высокочувствительного биохимического анализа / Д. А. Мамичев, И. А. Кузнецов // Молекулярная медицина. – 2012. – № 6. – С. 19– 27.
4. Noguez, C. Surface Plasmons on Metal Nanoparticles: The Influence of Shape and Physical Environment / C. Noguez // Journal of Physical Chemistry C. – 2007. 131 – Т. 111. – № 10. – С. 3806–3819.
5. Evanoff, D. D. Synthesis and Optical Properties of Silver Nanoparticles and Arrays / D. D. Evanoff, G. Chumanov // ChemPhysChem. – 2005. – Т. 6. – № 7. – С. 1221–1231.
6. Chen, H. Shape- and size-dependent refractive index sensitivity of gold nanoparticles / H. Chen, X. Kou, Z. Yang, W. Ni, J. Wang // Langmuir,- 2008. - V. 24, - P. 5233-5237
7. Nico, J. Surface plasmon resonance: methods and protocols / J. Nico, M. J. E. Fischer, N. J. Mol, M. J. E. Fischer. – New York: Springer Science, 2010. – 286 c.
8. Сотников, Д. В. Детекция межмолекулярных взаимодействий, основанная на регистрации поверхностного плазмонного резонанса / Д. В. Сотников, А. В. Жердев, Б. Б. Дзантиев // Успехи биологической химии. – 2015. – Т. 55. – С. 391–420.
9. Homola, J. Surface Plasmon Resonance Sensors for Detection of Chemical and Biological Species / J. Homola // Chemical Reviews. – 2008. – Т. 108. – № 2. – С. 462–493.
10. Nuss, S. Gold Nanoparticles with Covalently Attached Polymer Chains / S. Nuss, H. Böttcher, H. Wurm, M. L. Hallensleben // Angewandte Chemie (International ed. in English). – 2001. – Т. 40. – № 21. – С. 4016–4018.
11. Slocik, J. M. Synthesis of gold nanoparticles using multifunctional peptides / J. M. Slocik, M. O. Stone, R. R. Naik // Small. – 2005. – Т. 1. – № 11. – С. 1048–52.
12. Wang, S. Formation of gold nanoparticles and self-assembly into dimer and trimer aggregates / S. Wang, J. Yan, L. Chen // Materials Letters. – 2005. – Т. 59. – № 11. – С. 1383–1386.
13. DiScipio, R. G. Preparation of colloidal gold particles of various sizes using sodium borohydride and sodium cyanoborohydride / R. G. DiScipio // Analytical biochemistry. – 1996. – Т. 236. – № 1. – С. 168–70.
14. Khlebtsov, N. G. Spectral Extinction of Colloidal Gold and Its Biospecific Conjugates / N. G. Khlebtsov, V. A. Bogatyrev, L. A. Dykman, A. G. Melnikov // Journal of Colloid and Interface Science. – 1996. – Т. 180. – № 2. – С. 436–445.
15. Green, M. A simple one phase preparation of organically capped gold nanocrystals / M. Green, P. O’Brien // Chemical Communications. – 2000. – № 3. – С. 183–184.
16. Frens, G. Controlled nucleation for the regulation of the particle size in monodisperse gold suspensions / G. Frens // Nature Phys Sci. – 1973. – Т. 241. – С. 20–22.
17. Turkevich, J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold / J. Turkevich, P. C. Stevenson, J. Hillier // Discussions of the Faraday Society. – 1951. – Т. 11. – С. 55.
18. Kimling, J. Turkevich method for gold nanoparticle synthesis revisited. / J. Kimling, M. Maier, B. Okenve, V. Kotaidis, H. Ballot, A. Plech // The journal of physical chemistry. B. – 2006. – Т. 110. – № 32. – С. 15700–7.
19. Крутяков, Ю. А. Синтез и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы / Ю. А. Крутяков, А. А. Кудринский, А. Ю. Оленин, Г. В. Лисичкин // Успехи химии. – 2008. – Т. 77. – № 3. – С. 242–269.
20. Бакеева, И. В. Наночастицы золота как структурирующие агенты при образовании гибридных наноком-позитов / И. В. Бакеева, Ю. А. Колесникова, Н. А. Катаева, К. С. Заустинская, С. П. Губин, В. П. Зубов // Известия. – 2008. – № 2. – С. 329–336.
21. Баран, А. А. Полимерсодержащие дисперсные системы / А. А. Баран. – Киев: Наукова думка, 1966. – 201 c.
22. Liu, S. Silica-coated metal nanoparticles / S. Liu, M. Y. Han // Chemistry - An Asian Journal. – 2010. – Т. 5. – № 1. – С. 36–45.
23. Drury, A. Fabrication and Characterization of Silver/Polyaniline Composite 141 Nanowires in Porous Anodic Alumina / A. Drury, S. Chaure, M. Kröll, V. Nicolosi, N. Chaure, W. J. Blau // Chemistry of Materials. – 2007. – Т. 19. – № 17. – С. 4252– 4258.
24. Chen, W. Sonochemical Processes and Formation of Gold Nanoparticles within Pores of Mesoporous Silica / W. Chen, W. Cai, L. Zhang, G. Wang, L. Zhang // Journal of colloid and interface science. – 2001. – Т. 238. – № 2. – С. 291–295.
25. Jana, N. R. Wet Chemical Synthesis of High Aspect Ratio Cylindrical Gold Nanorods / N. R. Jana, L. Gearheart, C. J. Murphy // The Journal of Physical Chemistry B. – 2001. – Т. 105. – № 19. – С. 4065–4067.
26. Nikoobakht, B. Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods (NRs) Using Seed-Mediated Growth Method / B. Nikoobakht, M. A. El-Sayed // Chemistry of Materials. – 2003. – Т. 15. – № 10. – С. 1957–1962.
27. Xiong, Y. Poly(vinyl pyrrolidone): A Dual Functional Reductant and Stabilizer for the Facile Synthesis of Noble Metal Nanoplates in Aqueous Solutions / Y. Xiong, I. Washio, J. Chen, H. Cai, Z.-Y. Li, Y. Xia // Langmuir. – 2006. – Т. 22. – № 20. – С. 8563–8570.
28. Хлебцов, Н. Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным резонансом / Н. Г. Хлебцов // Квантовая электроника. – 2008. – Т. 38. – № 6. – С. 504–529.
29. Pham, T. Preparation and Characterization of Gold Nanoshells Coated with Self-Assembled Monolayers / T. Pham, J. B. Jackson, N. J. Halas, T. R. Lee // Langmuir. – 2002. – Т. 18. – № 12. – С. 4915–4920.
30. Simakin, A. V. Nanoparticles produced by laser ablation of solids in liquid environment / A. V. Simakin, V. V. Voronov, N. A. Kirichenko, G. A. Shafeev // Applied Physics A. – 2004. – Т. 79. – № 4-6. – С. 1127–1132.
31. Andrews, M. P. Wrapping oligomers and polymers around metal atoms, metal clusters, and metal colloids / M. P. Andrews, G. A. Ozin // Chemistry of Materials. – 1989. – Т. 1. – № 2. – С. 174–187.
32. Schneemilch, M. Dynamic Wetting and Dewetting of a Low-Energy Surface by Pure Liquids / M. Schneemilch, R. A. Hayes, J. G. Petrov, J. Ralston // Langmuir. 144 – 1998. – Т. 14. – № 24. – С. 7047–7051.
33. Brown, K. R. Hydroxylamine Seeding of Colloidal Au Nanoparticles in Solution and on Surfaces / K. R. Brown, M. J. Natan // Langmuir. – 1998. – Т. 14. – № 4. – С. 726–728.
34. Wilcoxon, J. P. Heterogeneous Growth of Metal Clusters from Solutions of Seed Nanoparticles / J. P. Wilcoxon, P. P. Provencio // Journal of the American Chemical Society. – 2004. – Т. 126. – № 20. – С. 6402–6408.
35. Brust, M. Synthesis of thiol-derivatised gold nanoparticles in a two-phase Liquid-Liquid system / M. Brust, M. Walker, D. Bethell, D. J. Schiffrin, R. Whyman // Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. – 1994. – № 7. – С. 801.
36. Lee, K. J. Direct synthesis and bonding origins of monolayer-protected silver nanocrystals from silver nitrate through in situ ligand exchange / K. J. Lee, Y.-I. Lee, I.-K. Shim, J. Joung, Y. S. Oh // Journal of colloid and interface science. – 2006. – Т. 304. – № 1. – С. 92–97.
37. Sanli D., Bozbag S.E., Erkey C. Synthesis of nanostructured materials using supercritical CO2: Part I. Physical transformations // J. Mater. Sci. - 2012. - Vol. 47 - № 7. - P. 2995–3025.
38. Bozbag S.E., Sanli D., Erkey C. Synthesis of nanostructured materials using supercritical CO2: Part II. Chemical transformations // J. Mater. Sci. - 2012. - Vol. 47 - № 8. - P. 3469–3492.
39. Xiong, B. Separation of nanorods by density gradient centrifugation / B. Xiong, J. Cheng, Y. Qiao, R. Zhou, Y. He, E. S. Yeung // Journal of Chromatography A. – 2011. – Т. 1218. – № 25. – С. 3823–3829.
40. Hanauer, M. Separation of Nanoparticles by Gel Electrophoresis According to Size and Shape / M. Hanauer, S. Pierrat, I. Zins, A. Lotz, C. Sönnichsen // Nano Letters. – 2007. – Т. 7. – № 9. – С. 2881–2885.
41. Contado, C. Size sorting of citrate reduced gold nanoparticles by sedimentation field-flow fractionation / C. Contado, R. Argazzi // Journal of Chromatography A. – 2009. – Т. 1216. – № 52. – С. 9088–9098.
42. Fana, M. Silver nanoparticles self assembly as SERS substrates with near single molecule detection limit / M. Fana, A. G. Brolo // Physical chemistry chemical physics. – 2009. – Т. 11. – № 34. – С. 7381–7389.
43. Wang, C. Generalized Fabrication of Surfactant-Stabilized Anisotropic Metal Nanoparticles to Amino-Functionalized Surfaces: Application to Surface-Enhanced Raman Spectroscopy / C. Wang, Y. Chen, Z. Ma, T. Wang, Z. Su // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. – 2008. – Т. 8. – № 11. – С. 5887–5895.
44. Kaminska, A. Chemically bound gold nanoparticle arrays on silicon: assembly, properties and SERS study of protein interactions / A. Kaminska, O. Inya-Agha, R. J. Forster, M. Murakamid // Physical chemistry chemical physics : PCCP. – 2008. – Т. 10. – № 28. – С. 4172–80.
45. Zhai, J. Rapid fabrication of Au nanoparticle films with the aid of centrifugal force. / J. Zhai, Y. Wang, Y. Zhai, S. Dong // Nanotechnology. – 2009. – Т. 20. – № 5. – С. 055609.
46. Daniels, J. K. Nanoparticle−Mirror Sandwich Substrates for Surface-Enhanced Raman Scattering / J. K. Daniels, G. Chumanov // The Journal of Physical Chemistry B. – 2005. – Т. 109. – № 38. – С. 17936–17942.
47. Zhao, F. Gold nanoparticle aggregate morphology with controllable interparticle spacing prepared by a polyelectrolyte network template / F. Zhao, J. K. Xun, S. F. Liu // Australian Journal of Chemistry. –2008. – Т. 61. – № 1. - С. 1.
48. Yuan, W. Direct modulation of localized surface plasmon coupling of au nanoparticles on solid substrates via weak polyelectrolyte-mediated layer-by-layer self assembly / W. Yuan, C. M. Li // Langmuir. – 2009. – Т. 25. – № 13. – С. 7578– 7585.
49. Khaing Oo, M. K. Structure fits the purpose: photonic crystal fibers for evanescent-field surface-enhanced Raman spectroscopy / M. K. Khaing Oo, Y. Han, J. Kanka, S. Sukhishvili, H. Du // Optics Letters. – 2010. – Т. 35. – № 4. – С. 466– 468.
50. Peng, C. Self-assembly of λ-DNA networks/Ag nanoparticles: Hybrid architecture and active-SERS substrate / C. Peng, Y. Song, G. Wei, W. Zhang, Z. Li, W.-F. Dong // Journal of Colloid and Interface Science. – 2008. – Т. 317. – № 1. – С. 183–190.
51. Lee, J.-H. Highly Scattering, Surface-Enhanced Raman Scattering-Active, Metal Nanoparticle-Coated Polymers Prepared via Combined Swelling−Heteroaggregation / J.-H. Lee, M. A. Mahmoud, V. B. Sitterle, J. J. Sitterle, J. C. Meredith // Chemistry of Materials. – 2009. – Т. 21. – № 23. – С. 5654–5663.
52. Yin, Y. Template-assisted self-assembly: a practical route to complex aggregates of monodispersed colloids with well-defined sizes, shapes, and structures / Y. Yin, Y. Lu, B. Gates, Y. Xia // J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 8718-8729.
53. Wang, X. Noble Metal Coated Single-Walled Carbon Nanotubes for Applications in Surface Enhanced Raman Scattering Imaging and Photothermal Therapy / X. Wang, C. Wang, L. Cheng, S.-T. Lee, Z. Liu // Journal of the American Chemical Society. – 2012. – Т. 134. – № 17. – С. 7414–7422.
54. Roguska, A. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) activity of Ag, Au and Cu nanoclusters on TiO2-nanotubes/Ti substrate / A. Roguska, A. Kudelski, M. Pisarek, M. Opara // Applied Surface Science. – 2011. – Т. 257. – № 19. – С. 8182– 8189.
55. Abdullayev, E. Halloysite Clay Nanotubes for Controlled Release of Protective Agents / E. Abdullayev, Y. Lvov // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. – 2011. – Т. 11. – № 11. – С. 10007–10026.
56. Perney, N. M. B. Tuning localized plasmon cavities for optimized surfaceenhanced Raman scattering / N. M. B. Perney, F. J. García de Abajo, J. J. Baumberg, A. Tang, M. C. Netti, M. D. B. Charlton, M. E. Zoorob // Physical Review B. – 2007. – Т. 76. – № 3. – С. 035426.
57. Sánchez-Iglesias, A. Chemical seeded growth of Ag nanoparticle arrays and their application as reproducible SERS substrates / A. Sánchez-Iglesias, P. Aldeanueva-Potel, W. Ni, J. Pérez-Juste, I. Pastoriza-Santos, R. A. Alvarez-Puebla, B. N. Mbenkum, L. M. Liz-Marzán // Nano Today. – 2010. – Т. 5. – № 1. – С. 21– 27.
58. Zheng, X. Photochemical Modification of an Optical Fiber Tip with a Silver Nanoparticle Film: A SERS Chemical Sensor / X. Zheng, D. Guo, Y. Shao, S. Jia, S. Xu, B. Zhao, W. Xu, C. Corredor, J. R. Lombardi // Langmuir. – 2008. – Т. 24. – № 8. – С. 4394–4398.
59. Kahl, M. Periodically structured metallic substrates for SERS / M. Kahl, E. Voges, S. Kostrewa, C. Viets, W. Hill // Sensors and Actuators B: Chemical. – 1998. – Т. 51. – № 1. – С. 285–291.
60. Zhang , B. J. Colloidal self-assembly meets nanofabrication: from two-dimensional colloidal crystals to nanostructure arrays / B. J. Zhang , Y. Li, X. Zhang , B. Yang // Advmat 20010, 22, 4249-4269.
61. Bochenkov, V.E From rings to crescents: a novel fabrication technique uncovers the transition details / V.E. Bochenkov, D. S. Sutherland // Nano Lett. - 2013, 13, 1216−1220.
62. Hanarp, P. Control of nanoparticle film structure for colloidal lithography / P. Hanarp , D. S. Sutherland, J. Gold, B. Kasemo // Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects 214. - 2003. - P. 23-36.
63. Сергеева, А.С. Применение покрытий, сформированных методом полиионной сборки, в электронике / А. С. Сергеева, Д. А. Горин // Известия Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. физика. - 2013. - Т. 13, вып. 2, - С.61-66.
64. Yu, Q. Inverted size-dependence of surface-enhanced Raman scattering on gold nanohole and nanodisk arrays / Q. Yu, P. Guan, D. Qin, G. Golden, P. M. Wallace // Nano letters. – 2008. – Т. 8. – № 7. – С. 1923–8.
65. Brolo, A. G. Surface Plasmon Sensor Based on the Enhanced Light Transmission through Arrays of Nanoholes in Gold Films / A. G. Brolo, R. Gordon, B. Leathem, K. L. Kavanagh // Langmuir. – 2004. – Т. 20. – № 12. – С. 4813–4815.
66. Gordon, R. A new generation of sensors based on extraordinary optical transmission / R. Gordon, D. Sinton, K. L. Kavanagh, A. G. Brolo // Accounts of chemical research. – 2008. – Т. 41. – № 8. – С. 1049–1057.
67. Martin, C. R. Nanomaterials - A Membrane-Based Synthetic Approach / C. R. Martin // Science. – 1994. – Т. 266. – С. 1961.
68. Методы получения наноразмерных материалов, - Екатеринбург.- 2007. - 79 с.
69. Бриков Е.С., Формирование наночастиц магнетита в водной ионообменной реакции с избытком щелочи во внешнем постоянном магнитном поле средней величины / Е.С. Бриков, Д.В. Журавский, В.А. Михеев, В.Ф. Новиков, И.А. Смирнов // Вестник Тюменского гос университета. - 2011, №7. – Стр. 87-93.