Publikacja w ACS Applied Materials & Interfaces (2025)

22 04 2025

Nanostruktury plazmoniczne w spektroskopii SERS

Rozwój analityki chemicznej i biologicznej oraz diagnostyki medycznej jest silnie zależny od dostępności nowoczesnych czujników, oferujących konkurencyjne parametry pomiaru. Nanostruktury plazmoniczne to nanometryczne układy zdolne do wzbudzania plazmonów – kolektywnych drgań elektronów przewodnictwa – pod wpływem światła, co prowadzi do silnego lokalnego wzmocnienia pola elektromagnetycznego. Ich zdolność do kontrolowania światła w skali nanometrycznej otwiera liczne możliwości w projektowaniu zaawansowanych urządzeń fotonicznych i sensorów optycznych o wysokiej czułości.

Układy te szczególnie cenione są w powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii Ramana (SERS), która umożliwia ilościowe wykrywanie związków chemicznych z identyfikacją molekularną, nawet na poziomie pojedynczej cząsteczki. Prace nad rozwojem detekcji SERS z użyciem podłoży plazmonicznych skupiają się zazwyczaj na poprawie wybranych parametrów, takich jak czułość, jednorodność czy stabilność sygnału.

Unikalna geometria typu rdzeń-powłoka z kontrolowaną nanownęką

Naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego (mgr Aleksandra Szymańska i dr Agata Królikowska) we współpracy z badaczami z Wydziału Fizyki UW (mgr Mihai C. Suster, dr hab. Tomasz Antosiewicz i dr Piotr Wróbel) zaprojektowali, wytworzyli, a następnie scharakteryzowali i zoptymalizowali nowatorskie podłoża plazmoniczne do wszechstronnej analizy SERS. Opracowana prosta metoda oparta na litografii nanosfer pozwala na wytworzenie na powierzchni powyżej 6 cm² amorficznych macierzy nanostruktur o geometrii typu rdzeń-powłoka z nanownęką precyzyjnie kontrolowaną przez dobór parametrów procesu fabrykacji. Struktury te mają przestrajalną trójmodową odpowiedź plazmonową w szerokim zakresie spektralnym i skupiają światło we wnękach o rozmiarze <10 nm, otwartych i mających bezpośredni kontakt z otoczeniem – co jest kluczowe dla analityki molekularnej.

Zrozumienie właściwości optycznych podłoży dzięki symulacjom numerycznym oraz dobór parametrów syntezy (grubość warstwy metalu, rozmiar i stężenie nanosfer) umożliwiły uzyskanie silnego wzmocnienia natężenia pola elektromagnetycznego w nanoskali, kontrolę widmowego położenia rezonansów plazmonowych w zakresie Vis-NIR oraz wysoką jednorodność odpowiedzi optycznej, pozwalając stworzyć nanoarchitekturę odpowiednią do wszechstronnej analizy SERS. Uzyskana geometria i kontrola protokołu fabrykacji zapewniły podłożom jednocześnie wysoką czułość, wybitną jednorodność przestrzenną, bardzo dobrą powtarzalność między seriami, wysoką stabilność sygnału i działanie dla trzech różnych typów modelowych analitów w spektroskopii SERS. Spełniono wszystkie 5 rygorystycznych kryteriów dla wysokiej jakości podłoży SERS (według standardów literaturowych), co jest rzadkością.

Co dalej?

Ze względu na uniwersalność strojenia i szeroki zakres odpowiedzi optycznej (UV-Vis-NIR) opracowane podłoża to uniwersalna platforma plazmoniczna, która może stać się sercem przyszłych urządzeń analitycznych, biomedycznych i optycznych. Ich prostota w produkcji i wysoka wydajność czynią je kandydatem na przełomową technologię, zapewniającą dopasowanie właściwości materiału do konkretnych zastosowań.

Publikacja:

Nanogap-Engineered Core−Shell-Like Nanostructures for Comprehensive SERS Analysis

M. C. Suster, A. Szymańska, T. J. Antosiewicz, A. Królikowska*, P. Wróbel*

ACS Applied Materials & Interfaces., 2025, ASAP Article, DOI: 10.1021/acsami.5c00716

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.5c00716