Сферические наночастицы золота увеличивают чувствительность действующего на основе света химического детектора

Сенсор, полагающийся на отражённый свет для анализа биомедицинских и химических образцов, получил повышенную степень чувствительности благодаря покрытию из наночастиц золота. Ксиа Юй (Xia Yu) из Сингапурского Института Промышленных Технологий, в сотрудничестве со студентами и коллегами, смогла установить точный размер наночастиц для усовершенствования поверхности сенсора на основе плазмонного резонанса.

Подобные сенсоры содержат призму с одной поверхностью, покрытой тонкой плёнкой золота. Когда луч лазера проходит через неё, большая его часть отражается от золота в детектор. Однако, если свет падает на частицы золота под определённым углом, часть его совместно с электронами металла порождает электромагнитные волны, называемые поверхностные плазмоны-поляритоны. Более тесное подобное сочетание приводит к меньшему количеству света, отражаемому в детектор.

Когда жидкий образец протекает по плёнке из золота, он меняет индекс отражения в данном месте и слегка изменяет угол, под которым свет падает на металл. Это затрудняет процесс формирования поляритонов, что ведёт к большему количеству света, попадающему на детектор. Варьируя угол луча лазера и отслеживая интенсивность отражаемого света, можно определить состав образца, протекающего на поверхности металла.

Другие исследователи сумели показать, что наночастицы золота могут усиливать чувствительность сенсора. Приходящий свет порождает локальный плазмонный резонанс вокруг наночастиц. Резонанс, вкупе с поверхностью сенсора вызывает значительные изменения в интенсивности отражаемого света. Это делает устройство более чувствительным к углу входящего света и способным фиксировать меньшие концентрации тестируемых химических соединений.

Группа исследователей во главе с Ксиа Юй вычислила оптические отклики четырёх различных наночастиц золота, с диаметрами в диапазоне 40-80 нанометров. Посредством этого было установлено, что наибольшая эффективность достигается при размещении наночастиц на расстоянии 5 нанометров от поверхности. Далее исследователи установили различные наночастицы на плёнку из золота, используя серосодержащую молекулу под названием дитиотреитол, обеспечивающую требуемый 5-нанометровый зазор.

Расчёты исследователей предполагают, что электрическое поле поверхности плазмонов-поляритонов будет в сотни раз больше, когда на них добавляются 40 нанометровые частицы. «Чем сильнее электрическое поле, тем чувствительнее сенсоры», уверяет Юй. В тестах использовались различные концентрации растворов глицерина и формамида, подтвердив, что 40 нанометровые частицы предлагают максимальный рост чувствительности. «Предел обнаружения примерно на три порядка выше, чем у современных коммерческих сенсоров на основе плазмонного резонанса».

Юй надеется, что данное открытие сверхчувствительных сенсоров повлечёт за собой обнаружение биомаркеров рака.