Специалисты Научного центра мирового уровня «Передовые цифровые технологии» Санкт‑Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали методику изготовления подложек для SERS-датчиков на основе наночастиц и поверхностных наноостровковых пленок серебра. Такие подложки могут использоваться как платформа для обнаружения химических, биологических и токсичных примесей в системах безопасности, экологического мониторинга, фармакологии, биологии и химии, например, для обнаружения пестицидов в пищевых продуктах.
Созданная учеными НЦМУ СПбПУ уникальная технология полностью импортонезависима. Она позволяет идентифицировать наличие веществ вплоть до нескольких молекул и при этом более чем в 10 раз сократить стоимость изготовления SERS-подложек в сравнении с существующими сегодня на рынке аналогами.

SERS (поверхностно усиленное рамановское (комбинационное) рассеяние) является широко распространенным методом высокочувствительного анализа химического состава вещества и обнаружения биологических объектов. Усиление сигнала комбинационного рассеяния металлическими наночастицами связано с увеличением локального электрического поля световой волны вблизи металлических наноструктур, используемых в качестве подложек для SERS. Подложки должны демонстрировать однородность структур, высокую воспроизводимость, иметь длительный срок хранения, а также большую площадь SERS-активной области, и при этом – низкую себестоимость и возможность массового производства.

Предложенная исследователями лаборатории НЦМУ методика соответствует всем требованиям. Она разработана на основе наноостровковых пленок серебра, формируемых на поверхности стекла. Наночастицы растут в объеме стекла при термическом или лазерном нагреве образца, содержащего ионы серебра, и при выходе на поверхность образуют наноостровковую пленку. SERS-активность серебряных наноостровковых пленок была подтверждена при исследовании красителей (изомеры азобензола, родамин, пиридин); белков (бактериородопсин); аминокислот (аланин, серин, валин); антител/антигенов (нуклеопротеин коронавируса и моноклональные антитела).

Разработанные учеными структуры позволяют существенно увеличить точность идентификации веществ за счет усиления рамановского сигнала от анализируемого вещества в миллион и более раз, они превосходят аналоги по размерам активной области и стабильности сигнала.

Кроме того, ученые лаборатории «Многофункциональные стеклообразные материалы» провели исследование влияния атмосферы на морфологические и оптические характеристики серебряных наноостровковых пленок и нашли способ защиты островковых пленок от агрессивных сред. В частности, исследователи изучили два метода защиты подложек от воздействия внешней среды: 1) покрытие подложек биосовместимой полимерной пленкой, 2) использование стеклянной матрицы, в которой растут наночастицы, в качестве «естественной» защиты от внешних факторов.

Исследования показали, что полимерная пленка не является надежной защитой плазмонных наноструктур от деградации и, кроме того, снижает эффективность диагностики. Использование стеклянной матрицы, в которой растут наночастицы, в качестве естественной защиты от внешних факторов демонстрирует высокую стабильность – ни оптические, ни морфологические характеристики наночастиц не деградировали после длительного (8 месяцев) хранения.

В дальнейшем сотрудники лаборатории НЦМУ СПбПУ планируют исследование подложек для SERS-датчиков с наночастицами из сплава золота и серебра.

«На базе петербургского Политеха развернута масштабная работа, направленная на решение наукоемких задач инновационного развития нашего государства. Только в рамках НЦМУ «Передовые цифровые технологии» сегодня ведется научная деятельность по 35 актуальным тематикам, связанным с разработкой и внедрением в экономику принципиально новых производственных технологий», - подчеркнул вице-губернатор Санкт‑Петербурга Владимир Княгинин.

Он обратил внимание, что с 2020 года в нашем городе в рамках нацпроекта «Наука» действуют четыре научных центра мирового уровня, выполняющих прорывные исследования и разработки по приоритетам научно-технологического развития. Правительство города будет и дальше системно поддерживать петербургские вузы и научные организации в этой стратегически значимой деятельности.