загрузка...
загрузка...
На головну

Використання наночастинок для дослідження біооб'єктів

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Ефект плазмонного резонансу.

плазмон - квазічастинка, що відповідає квантованию плазмових коливань, які представляють собою колективні коливання вільного електронного газу.

Магічний блиск золота (як, втім, і інших металів) обумовлений віддзеркаленням світла від поверхневих плазмонів - квазічастинок, що виникають за рахунок квантування колективних коливань вільних електронів в металі.

Наночастки золота (резонатори) мають частоту плазмонного резонансу, порівнянну з піком оптичної щільності багатьох металопротеїни.

Плазмони грає велику роль в оптичних властивостях металів. Світло з частотою нижче плазмової частоти відбивається, тому що електрони в металі екранують електричне поле в світловий електромагнітної хвилі. Світло з частотою вище плазмової частоти проходить, тому що електрони не можуть досить швидко відповісти, щоб екранувати його.

У більшості металів плазмова частота знаходиться в ультрафіолетовій області спектра, роблячи їх блискучими у видимому діапазоні. У легованих напівпровідниках плазмова частота знаходиться зазвичай в ультрафіолетовій області.

Енергію плазмона можна оцінити в моделі майже вільних електронів як:

, (12. 1)

де n - щільність валентних електронів, e - елементарний заряд, m - маса електрона і - Діелектрична проникність вакууму.

Поверхневі плазмони сильно взаємодіють зі світлом, приводячи до утворення поляритонов. Вони грають роль в поверхневому посилення раманівського розсіювання світла і в поясненні аномалій в дифракції металів. Поверхневий плазмонний резонанс використовується в біохімії, щоб визначати присутність молекул на поверхні.

Плазмони розглядаються як засіб передачі інформації в комп'ютерних чіпах, Так як дроти для плазмонів можуть бути набагато тонше, ніж звичайні дроти, і можуть підтримувати набагато більш високі частоти (в режимі 100 TГц, в той час як звичайні дроти володіють великими втратами вже при 10 ГГц).

Вони були також запропоновані як засіб для літографії і мікроскопії високого дозволу через їх надзвичайно маленьких довжин хвилі. Обидва з цих застосувань з успіхом були продемонстровані в лабораторіях.

Поверхневий плазмонний резонанс виникає на поверхні металу за умови повного внутрішнього відображення і характеризується специфічним кутом відображення і, отже, показником заломлення.

Цей ефект, виникаючи на поверхні металевої плівки, поширюється вглиб розчину, затухаючи експоненціально, в функції відстані. Взаємодії між молекулами змінюють загасаючу хвилю, що призводить до зміни характеристик поверхневого плазмона, які виражаються в зміні резонансного кута і показника заломлення в поверхневому шарі. За зміною показника заломлення судять про взаємодію світла з биомолекулами.

Мал. 12.5 Явище поверхневого плазмонного резонансу.

оптична спектрометрія дозволяє вивчати білки, що володіють оптичною щільністю у видимому діапазоні електромагнітного випромінювання (хромопротеїни) за допомогою вимірювання поглинання світла на певних ( «характеристичних» для конкретних молекул) довжинах хвиль. Однак для таких вимірювань потрібні досить високі концентрації белкa, та й просторове вирішення цього методу досить низька (зазвичай вивчають розчини молекул, що знаходяться в спектрометричних кюветах, і мови про те, де саме в клітці розташовані досліджувані молекули, просто не йде).

Набагато більшою чутливістю володіють методи, засновані на вимірі флуоресценції (Разом з конфокальної мікроскопії вони дозволяють визначати місце розташування молекул усередині живої клітини), але тут необхідно модифікувати досліджувані молекули спеціальними молекулами-мітками, що не завжди бажано і можливо.

Інший часто використовуваний в біології метод - спектроскопія ядерного магнітного резонансу - Також вимагає досить великих концентрацій білка і часто - ізотопного мічення об'єкта, складного в умовах живих систем.

Запропонована методика заснована на введенні в живі клітини наноскопіческіх частинок золота контрольованого розміру (20-30 нм). Електрони на поверхні частинок з таких металів як золото або срібло колективно осцилюють у відповідь на опромінення світлом певної довжини хвилі - це явище відоме як плазмонний резонанс. Резонансні частоти цих наночастинок зареєструвати набагато легше, ніж слабкий (через дуже низьких концентрацій) оптичний сигнал від біологічних молекул, що і дозволяє проводити вимірювання.

Вимірювання засновані на явищі, званому міграцією енергії плазмонного резонансу (МЕПР), яке полягає в тому, що молекули білка, адсорбуватися на поверхні золотих частинок, як би «відтягують» на себе частину енергії плазмонного резонансу, що досить легко зареєструвати за специфічними «провалів» в спектрах розсіяння, «знімаються» з цих частинок .

Головною умовою цього ефекту є перекривання частоти плазмонного резонансу та частот оптичного поглинання білка, - вимога, аналогічне тому, яке накладається і в більш широко відомому методі резонансного перенесення енергії флуоресценції. Саме цією умовою і визначається те, що частинки складаються з золота, і їх розмір (частки цього розміру мають пік плазмонного резонансу в області 530-580 нм, перекриваючи діапазон поглинання цитохрому (с), який був обраний для дослідження. Передбачається, що механізм міграції енергії аналогічний міграції енергії при флуоресценції (так зване Фёрстеровское диполь-дипольна взаємодія).

В установці, наведеної на малюнку 12.5, наночастинки золота висвітлюються під певним кутом через фазово-контрастний конденсор. Досліджуваним параметром є светорассеяніє (на величину якого якраз і впливає плазмонний резонанс), що реєструється кольоровою камерою й аналізований за допомогою спектрофотометра.

 «Гасіння» плазмонів-резонансного спектру, обумовлене міграцією енергії на адсорбуватися на поверхні наночастинок біомолекули, проявляється у вигляді специфічних «провалів» на спектрах розсіяння в діапазонах довжин хвиль, які збігаються з піками оптичного поглинання молекул білка (Рис. 12.6г). Для ефективного переносу енергії необхідно, щоб спектри розсіювання і поглинання перекривалися. Оскільки така резонансна міграція є прямим перенесенням, і, отже, відбувається швидше і ефективніше, ніж оптичне поглинання, спектри МЕПР можуть бути зареєстровані звичайної оптичної системою, що було б неможливо при використанні «звичайної» оптичної спектроскопії.

Мал. 12.6 Явище «гасіння» плазмонного резонансу внаслідок міграції енергії на біомолекули.

А. Схема установки.

Б. Типовий спектр релєєвського (пружного) розсіювання наночастинок золота. Для частинок розміром 30 нм характерний пік на 530-580 нм.

В. Типовий спектр оптичного поглинання білка (цитохрому c). Характерні піки - 530 нм для окисленої форми (Fe III) і 525 нм і 550 нм для відновленої (Fe II).

Г. «Провали» на спектрі плазмонного резонансу (розсіювання), викликані міграцією енергії на біомолекул в діапазонах довжин хвиль, відповідних піків оптичного поглинання белкa.

Для досліджень не обов'язково брати саме золото: аналогічні експерименти були проведені і на срібних наночастицах, взаємодіючих з гемоглобіном (частота плазмонного резонансу срібних частинок і смуга Сорі гемоглобіну (~ 407 нм) знаходяться в одній спектральної області). Якщо ж використовувати інші метали, то можна вивчати аналогічний ефект в ультрафіолетовій або ближній інфрачервоній областях спектру - наприклад, щоб ідентифікувати взаємодію з нуклеїновими кислотами або більшістю білків, які не поглинають світло у видимій області.

Дослідники вважають, що найбільш перспективна галузь використання нового методу (з огляду на його безпрецедентну чутливість і можливість застосування в живій клітині) - це генетичний аналіз молекул РНК і продуктів експресії генів, рідко включаються в «нормальних» умовах і про роботу яких майже нічого не відомо. Крім того, можна буде визначати білки-супутники різних форм раку, токсини і вірусні частинки.

«== Попередня стаття | наступна стаття ==>

Читайте також:

Методи зондової мікроскопії. 1.1.1. Атомно-силова мікроскопія

ефект Мессбауера

Глядачеві відчуття

Приклади пристроїв на основі МЕМС прмишленность виконання

амперометричний аналізатор

Пристрій і принцип роботи СТМ

Фізичні основи електронної мікроскопії Електронний мікроскоп

Порівняльний аналіз аналітичних можливостей різних типів иммуносенсор

Архітектура Кантільоверниє датчиків і системи контролю за становищем консолей

наноелектроніка

Використання штучних нейронних мереж для отримання, передачі та обробки вимірювальної інформації

Скануючий СКВІД-мікроскоп

Принципи дії ССМ-77

Повернутися в зміст: фізичні явища

Всі підручники

© om.net.ua