Plazmon rezonansı. Nanopartiküllerin optik özellikleri Nanopartiküllerde lokalize saçılma ve absorpsiyon rezonansları

, polariton, plazmon, nanofotonik Tanım Plazmon rezonansı (nano boyutlu metal yapılar durumunda - lokalize plazmon rezonansı), bir yüzey plazmonunun harici bir elektromanyetik dalga tarafından rezonans frekansında uyarılmasıdır. Tanım

Yüzey plazmonunun hızı ışık hızından düşük olduğu için metale bitişik ortamdaki elektromanyetik radyasyonla doğrudan ilişkili değildir. Optikte yüzey plazmonlarının kullanımına izin veren bir teknik, toplam iç yansımanın kullanımına dayanmaktadır. Toplam iç yansımada, hızı ışık hızından daha düşük olan ve geliş açısına bağlı olan bir elektromanyetik dalga, ışığı yansıtan bir yüzey boyunca yayılır. Belirli bir geliş açısında bu dalganın hızı, metal yüzey üzerindeki yüzey plazmonunun hızıyla çakışırsa, o zaman toplam iç yansıma koşulları ihlal edilecek ve yansıma tamamlanmayacak ve bir yüzey oluşacaktır. plazmon rezonansı ortaya çıkacaktır.

Nano boyutlu metal sistemlerde kolektif elektronik uyarılmaların modifikasyonu meydana gelir. Boyutu çevredeki elektromanyetik radyasyonun dalga boyundan daha küçük olan metal nanopartiküllerin toplu elektronik uyarılması - lokalize yüzey plazmonu - toplu plazmonun frekansından yaklaşık 3 kat daha düşük bir frekansta salınırken, yüzey plazmonunun frekansı Bulk plazmon plazmonunun frekansından yaklaşık 2 kat daha azdır. Sistemin küçük boyutu nedeniyle, dış ortamdaki uyarım ve elektromanyetik dalganın yayılma hızının çakışması gerekliliği ortadan kaldırılır, böylece lokalize yüzey plazmonları doğrudan radyasyonla ilişkilendirilir. Dış alanın frekansı, lokalize yüzey plazmonunun frekansı ile çakıştığında, bir rezonans meydana gelir, bu da parçacığın yüzeyindeki alanda keskin bir artışa ve absorpsiyon kesitinde bir artışa yol açar.

Lokalize plazmonların özellikleri kritik olarak nanopartiküllerin şekline bağlıdır; bu, rezonans sisteminin ışık veya temel kuantum sistemleriyle etkili etkileşim için ayarlanmasını mümkün kılar.

Şu anda, yüzey plazmon rezonansı olgusu kimyasal ve biyolojik sensörlerin oluşturulmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Biyolojik nesnelerle (DNA, virüsler, antikorlar) temas halinde olduğunda plazmonik nanoyapılar, floresans sinyallerinin yoğunluğunun bir büyüklük mertebesinden daha fazla arttırılmasını mümkün kılar; biyolojik nesnelerin tespiti, tanımlanması ve teşhisi yeteneklerini önemli ölçüde genişletir.

Naimushina Daria Anatolyevna

Bağlantılar

Perlin E.Yu., Vartanyan T.A., Fedorov A.V. Katı hal fiziği. Yarı iletkenlerin, dielektriklerin, metallerin optiği: Ders kitabı. - St. Petersburg: St. Petersburg Devlet Üniversitesi ITMO, 2008. - 216 s.
Pompa P.P., Martiradonna L. ve diğerleri. Nano ölçekli kontrole sahip kolloidal nanokristallerin metalle geliştirilmiş floresansı // Nature Nanoteknoloji - cilt. 1, 2006 - S. 126 -130
Nashchekin A.V. ve diğerleri. Yüzey plazmon rezonansına dayalı biyosensörler // Genç bilim adamlarının bilimsel çalışmaları yarışmasına katılanların kesit raporları, poster sunumları ve raporlarının özetlerinin toplanması - İkinci Uluslararası Nanoteknoloji Forumu, 2008

Çizimler Etiketler Bölümler Nanoyapıların ve nanomalzemelerin teşhisi ve araştırılması için yöntemler
Bilim

Ansiklopedik Nanoteknoloji Sözlüğü. -Rusnano. 2010 .

Diğer sözlüklerde “plazmon rezonansının” ne olduğunu görün:

İngilizce plazmon rezonansı) bir yüzey plazmonunun harici bir elektromanyetik dalga tarafından rezonans frekansında uyarılması (nano boyutlu metal yapılar durumunda lokalize plazmon rezonansı olarak adlandırılır). Açıklama Teknik ... Vikipedi

Nanofarmakoloji terimi İngilizce nanofarmakoloji terimi Eş Anlamlılar Kısaltmalar İlgili terimler adezyon, gen aktarımı, antikor, bakteriyofaj, proteinler, biyolojik membran, hipertermi, DNA, kapsid, kuantum nokta, kinesin, hücre... Ansiklopedik Nanoteknoloji Sözlüğü

Nanotüplere dayalı moleküler boyutlu dişliler ... Vikipedi

Molekül boyutunda nanogear'lar Nanoteknoloji, teorik gerekçelendirme, pratik araştırma, analiz ve sentez yöntemlerinin yanı sıra ... ... Vikipedi'nin bir kombinasyonuyla ilgilenen disiplinlerarası bir temel ve uygulamalı bilim ve teknoloji alanıdır.

Fizikte bir plazmon, serbest elektron gazının kolektif salınımları olan plazma salınımlarının kuantizasyonuna karşılık gelen bir yarı parçacıktır. İçindekiler 1 Açıklama 2 Olası kullanımlar... Vikipedi

Fizikte bir plazmon, serbest elektron gazının kolektif salınımları olan plazma salınımlarının kuantizasyonuna karşılık gelen bir yarı parçacıktır. Açıklama Plazmonlar metallerin optik özelliklerinde büyük bir rol oynar. Frekanslı ışık ... Vikipedi

Altın- (Altın) Altın değerli bir metaldir Altın: maliyet, numuneler, oran, satın alma, altın çeşitleri İçindekiler >>>>>>>>>>>>>>>> Altındır, tanımı... Yatırımcı Ansiklopedisi

Elektromanyetik radyasyon metal nanoparçacıklarla etkileşime girdiğinde, parçacıkların hareketli iletken elektronları kafesin pozitif yüklü metal iyonlarına göre yer değiştirir. Bu yer değiştirme doğası gereği kolektiftir ve elektronların hareketi faz açısından tutarlıdır. Parçacık boyutu gelen ışığın dalga boyundan çok daha küçükse, elektronların hareketi bir dipol görünümüne yol açar. Sonuç olarak elektronları denge konumuna döndürmeye çalışan bir kuvvet ortaya çıkar. Geri yükleme kuvvetinin büyüklüğü, tipik bir osilatörde olduğu gibi yer değiştirmenin büyüklüğü ile orantılıdır, dolayısıyla parçacıktaki elektronların kolektif salınımlarının doğal frekansının varlığından bahsedebiliriz. Gelen ışığın salınımlarının frekansı, bir metal parçacığının yüzeyine yakın serbest elektronların salınımlarının doğal frekansı ile çakışırsa, kuantum analoğu olan "elektron plazmasının" salınımlarının genliğinde keskin bir artış gözlenir. bir plazmon. Bu olaya yüzey plazmon rezonansı (SPR) denir. Işık absorpsiyon spektrumunda bir tepe noktası belirir. Boyutu 10-100 nm mertebesinde olan soy metal parçacıkları için SPR, spektrumun görünür bölgesinde ve yakın kızılötesi aralığında gözlenir. Konumu ve yoğunluğu nanopartiküllerin boyutuna, şekline ve yerel dielektrik ortama bağlıdır. 10-25 nm çapında küresel gümüş nanopartiküller, 400-420 nm civarında bir emme zirvesine (Şekil 1a), küresel altın nanopartiküller - 520 nm, bakır (I) oksit nanopartiküller - 450-700 nm'ye sahiptir.

Nanoçubuklar anizotropik simetriye sahiptir ve bu nedenle absorpsiyon spektrumunda enine ve boyuna plazmonlara karşılık gelen iki tepe gözlenir. Enine plazmon 400 nm'de bir absorpsiyon zirvesi verir ve uzunlamasına olan 500-1000 nm aralığında görünebilir. yani. V

yakın kızılötesi bölge. Konumu, nanoçubuğun boyutsal faktörleri, yani uzunluğun genişliğe oranı tarafından belirlenir.

λ, nm

Şekil 1a Gümüş nanopartiküllerin optik absorpsiyon spektrumu

Şekil 1bÇubuk şeklindeki gümüş nanopartiküllerin optik absorpsiyon spektrumu

Deneysel kısım Laboratuvar sonuçlarının işlenmesi ve sunumu

Rapor şunları sağlamalıdır:

Nanopartiküllerin sentezi için reaksiyonun şeması ve denklemi

Sentez sırasında çözelti renk değişikliklerinin kayıtları

İndirgeyici madde ve/veya stabilizatörün konsantrasyonunun, elde edilen nanopartiküllerin boyutu ve stabilitesi üzerindeki etkisine (veya etki eksikliğine) ilişkin kayıtlar

Bir nanopartikül çözeltisinin absorpsiyon spektrumu

Sentezlenen çözeltideki nanopartiküllerin şekli ve boyutu hakkında sonuçlar

Laboratuvar çalışması No. 1 Sitrat yöntemini kullanarak Ag nanoparçacıklarının elde edilmesi

Bu yöntem, 60-80 nm çapında nispeten büyük gümüş parçacıklarının elde edilmesini sağlar. Emilim maksimum 420 nm.

Reaktifler ve ekipmanlar

Reaktifler: 0,005M gümüş nitrat AgN03 çözeltisi, sodyum sitrat Na3C6H507∙6H20 (%1'lik çözelti), damıtılmış su.

Teçhizat: terazi, spektrofotometre, optik yol uzunluğu 1 cm olan kuvars küvetler, 200 ml'lik şişeler, 50 ml'lik beherler, ısıtmalı karıştırıcı, dereceli silindir.

İş emri

Su içinde 0,005M (%0,085) AgNO 3 çözeltisi hazırlayın. Bunu yapmak için 0,0425 g maddeyi 50 ml damıtılmış su içinde çözün.

Hazırlanan çözeltinin 25 ml'si bir şişeye aktarılır ve 100 ml su eklenir.

0,5 g'ını 50 ml su içinde çözerek %1'lik bir sodyum sitrat çözeltisi hazırlayın.

Elde edilen gümüş nitrat çözeltisinin 125 ml'sini bir karıştırıcı ile ocak üzerinde kaynatıncaya kadar ısıtın.

Çözelti kaynamaya başlar başlamaz içine 5 ml %1'lik sodyum sitrat çözeltisi ekleyin.

Çözeltiyi rengi soluk sarıya dönene kadar ısıtın.

Karıştırıcı çalışırken çözeltinin oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.

Kaynamaya bağlı olarak hacmi azalan çözeltinin hacmi su ile 125 ml ye tamamlanır.

Ortaya çıkan koloidal çözeltinin absorpsiyon spektrumunu 200 – 800 nm aralığında kaydedin. Referans çözüm olarak su kullanın.

Bir gün veya bir hafta sonra absorpsiyon spektrumunu alın. Ortaya çıkan spektrumları karşılaştırın. Nanopartiküllerin stabilitesi hakkında ne söylenebilir? Bu yöntemle elde edilen nanopartiküllerin stabilitesini hangi faktörler belirler? Metal nanopartiküllerin stabilitesini arttırmak için başka hangi yöntemler bilinmektedir? Laboratuvarda neden sulu bir gümüş nitrat çözeltisi karanlık bir kapta saklanıyor?

Elde edilen gümüş nanopartiküllerin 5 ml'lik bir çözeltisine 5 ml seyreltilmiş HCl'yi damla damla ekleyin. Deneyi asetik asit CH3COOH ile tekrarlayın. Hidroklorik asit eklenirken gümüş nanopartiküllerin kademeli olarak çözündüğünü ve beyaz bir çökelti oluştuğunu ve asetik asit eklenirken çözeltinin renginin değiştiğini gözlemleyin. Sonuçları, gözlemleri ve reaksiyon denklemlerini not defterinize yazın.

Optik absorpsiyon spektroskopisi, biyomoleküllerin fizikokimyasal analizi için en eski yöntemlerden biridir. Ancak düşük hassasiyeti ve uzaysal çözünürlüğü, düşük protein konsantrasyonlarını içeren süreçlerin incelenmesine izin vermez. Berkeley'den bilim adamları, optik yöntemi biyofiziksel ve biyokimyasal araştırmalarda kullanılan başka bir prensiple birleştirerek "ömrünü uzatmayı" başardılar: plazmon rezonansı. Bir hücreye verilen altın nanoparçacıklarının elastik saçılma spektrumunda, bazı biyolojik moleküllerin (örneğin metaloproteinlerin) emildiği frekanslara karşılık gelen belirli "düşmelerin" görünebileceği ortaya çıktı. Araştırmacılar bu etkiyi şöyle adlandırıyor: plazmon rezonans enerjisinin göçü ve bunu altın parçacıklarının üzerlerine adsorbe edilen protein molekülleri ile doğrudan etkileşimi ile açıklıyoruz. Önerilen yöntem benzeri görülmemiş bir duyarlılığa sahiptir: tek tek protein moleküllerini olmasa da en azından bunların belirlenmesinde kullanılabilir. onlarca.

Optik spektrometri, görünür elektromanyetik radyasyon aralığında optik yoğunluğa sahip proteinleri incelemenizi sağlar (kromoproteinler)ışık emilimini belirli aralıklarla ölçerek ( "karakteristik" belirli moleküller için) dalga boyları. Bununla birlikte, bu tür ölçümler oldukça yüksek protein konsantrasyonları gerektirir ve bu yöntemin uzaysal çözünürlüğü çok düşüktür (genellikle spektrometrik küvetlerde bulunan moleküllerin çözeltileri incelenir ve incelenen moleküllerin hücrenin tam olarak neresinde olduğuna dair hiçbir soru yoktur). bulunur). Ölçüme dayalı yöntemler çok daha hassastır floresans(eş odaklı mikroskopi ile birlikte, canlı bir hücre içindeki moleküllerin konumunu belirlemeyi mümkün kılarlar), ancak burada incelenen moleküllerin özel etiket molekülleri ile değiştirilmesi gerekir ki bu her zaman arzu edilen veya mümkün olmayan bir durumdur. Biyolojide sıklıkla kullanılan başka bir yöntem olan nükleer manyetik rezonans spektroskopisi de oldukça yüksek protein konsantrasyonları ve genellikle canlı sistemlerde karmaşık olan bir nesnenin izotopik etiketlenmesini gerektirir.

Berkeley bilim adamlarının önerdiği metodoloji (dergide yayınlanan makale) Doğa Yöntemleri), kontrollü boyuttaki (20-30 nm) nanoskopik altın parçacıklarının canlı hücrelere dahil edilmesine dayanmaktadır. Altın veya gümüş gibi metallerden yapılmış parçacıkların yüzeyindeki elektronlar, belirli bir dalga boyundaki ışıkla ışınlanmaya tepki olarak topluca salınır; plazmon rezonansı(kenar çubuğuna bakın). Bu nanopartiküllerin rezonans frekanslarının kaydedilmesi, biyolojik moleküllerden gelen zayıf (çok düşük konsantrasyonlar nedeniyle) optik sinyalden çok daha kolaydır, bu da ölçümlerin yapılmasını mümkün kılar.

Uçakta durduk
Değişken yansıma açısıyla,
Yasayı izlemek
Manzaraları harekete geçirme.

Kelimeleri tekrarlamak
Her türlü anlamdan yoksun
Ama gerilim olmadan
Gerilim yok.
B.G.

Edebiyat

Gang Logan Liu, Yi-Tao Long, Yeonho Choi, Taewook Kang, Luke P Lee. (2007). Nicelenmiş plazmon söndürme, plazmon rezonans enerji aktarımı yoluyla nanospektroskopiyi daldırır Nat Yöntemleri. 4 , 1015-1017;
Yeni nanopartikül tekniği, tek bir canlı hücredeki kimyasal reaksiyonları şaşırtıcı netlikte yakalıyor. (2007). Günlük Bilim.

Metal-dielektrik arayüzünde yüzey plazmon rezonansı sergileyen metal nanopartiküller, biyolojik ve tıbbi araştırmalar için oldukça hassas sensörler olarak kullanım açısından büyük potansiyele sahiptir. Yüzey plazmon rezonansı metal ve dielektrik arasındaki arayüzde meydana gelir. Yüzey plazmon rezonansının frekansı, hem bitişik yüzeylerin dielektrik sabitlerine hem de yüzeyin şekline bağlıdır. Maksimum yüzey plazmon rezonansının konumunun nanopartiküllerin geometrik boyutlarına bağımlılığı, rezonans frekansı çeşitli biyolojik reaktiflerin titreşimlerinin doğal frekansıyla çakışan biyolojik araştırmalar için nanopartiküller üretmeyi mümkün kılar. Bu çalışmada, metal bir kabuk ile çevrelenmiş bir yarı iletken çekirdekten oluşan küresel nanoparçacıkları ele alıyoruz. Bir yarı iletkenin dielektrik sabitinin frekansa karmaşık bağımlılığı, çeşitli frekanslarda ek yüzey plazmon rezonansının ortaya çıkmasına neden olabilir. Çalışma, bir yarı iletkenin dielektrik sabit tensörünü dikkate alıyor ve tensör bileşenlerinin frekansa bağımlılığını hesaba katıyor. Bir metalin dielektrik sabiti Drude formalizmi kullanılarak hesaplanır. Çalışma, altın kabuklu nanopartiküllerin absorpsiyon kesitini hesaplıyor ve yarı iletken dielektrik sabit tensörün bileşenlerinin harici manyetik alana bağımlılığının, manyetik alanı değiştirerek yüzey plazmon rezonans maksimumunun konumunu değiştirmeyi mümkün kıldığını gösteriyor . Böylece yarı iletken çekirdekli ve metal kabuklu nanopartiküllerin, manyetik alan şiddetine bağlı olarak farklı biyomoleküller için sensör görevi görebileceği gösterilmiştir.

nanopartiküller

yüzey plazmon rezonansı

yarı iletken

Drude modeli

1. Bas, F.G. Süper kafesli yarı iletkenlerin yüksek frekans özellikleri / F.G. Bas, A.A. Bulgakov, A.P. Tetervov – M: Nauka, 1989. – 288 s.

2. Boren, K. Işığın küçük parçacıklar tarafından emilmesi ve saçılması / K. Boren, D. Huffman. – M.: Mir, 1986. – 340 s.

3. Golovkina M.V. Bir süper iletken-yarı iletken sistemden elektromanyetik dalganın yansıması / M.V. Golovkina // Modern yüksek teknoloji. 2009. No. 8. S. 8-10.

4. Dykman L.A. Çok işlevli altın nanokompozitlerin biyomedikal uygulaması / L.A. Dykman, N.G. Khlebtsov // Biyolojik kimyadaki gelişmeler. – 2016. – T. 56. – S. 411-450.

5. Klimov, V.V. Nanoplasmonikler / V.V. Klimov. – M.: Fizmatlit, 2009. – 480 s.

6. Çekirdek-kabuk yapısına sahip manyetit-altın nanopartiküllerinin sentezi / P.G. Rudakovskaya [ve diğerleri] // Moskova Üniversitesi Bülteni. Seri 2. Kimya. – 2015. –T. 56. – Sayı 3 – S. 181-189.

7. Golovkina M.V. Metamalzemelerle periyodik yarı iletken yapılar. Bildiriler Uluslararası Sibirya Kontrol ve İletişim Konferansı, SIBCON-2009. Tomsk, 2009. – s. 133-137.

Nanopartiküller ve bunlara dayalı nanokompozit yapılar son zamanlarda bilim adamlarının ve mühendislerin daha fazla ilgi alanına girmiştir. Nanopartikül üretim teknolojisinin şu anda elde ettiği ilerlemeler, birkaç nanometre yarıçaplı, küresel ve elipsoidal şekilli nanopartiküllerin yanı sıra kabuklu karmaşık yapıya sahip nanopartiküllerin üretilmesini mümkün kılmaktadır. Nanopartiküller ve bunlara dayanan nanokompozit malzemeler, katı hal fotonikleri ve filtreler, amplifikatörler gibi optoelektronik cihazların üretiminde kullanılır ve aynı zamanda yüksek verimli, yüksek hassasiyete sahip sensörler olarak da kullanılabilir. Yüzey plazmon rezonansına sahip metal nanopartiküller veya metal kabuklu nanopartiküller kimya, fizik, biyoloji, tıp, nanoteknoloji, biyoteknoloji vb. gibi bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında kullanılmaktadır. Manyetik nanopartiküller ayrıca biyoloji ve tıpta kullanım açısından büyük potansiyele sahiptir. Yüksek spesifik mıknatıslanmaları ve biyolojik moleküllerin yüzeyine bağlanma yetenekleri nedeniyle demir oksit bazlı manyetik nanopartiküller, manyetik rezonans görüntüleme için seçici kontrast maddelerinin geliştirilmesi için umut verici bir malzemedir. Değişen karmaşıklık derecelerindeki biyokimyasal problemleri çözmek için, nanopartiküllerde gözlemlenen manyetik özellikler ile özel yüzey özelliklerinin bir kombinasyonu gereklidir. Biyolojik sistemleri hedeflemek veya tanımak için biyomoleküllerle (antikorlar, enzimler, nükleotidler vb.) işlevselleştirilen manyetit nanopartikülleri, hedefe yönelik ilaç dağıtımı için malzeme olarak kullanılabilir.

Çeşitli malzemelerin özelliklerini tek bir parçacıkta birleştirme yeteneğine sahip olan çekirdek-kabuk nanopartikülleri özel ilgiyi hak etmektedir. Böylece manyetitin çekirdek-kabuk malzemeleri için çekirdek olarak kullanılması, demir oksit nanopartiküllerinin kolloidal çözeltilerinin sergilediği tüm dezavantajları ortadan kaldırır. Toksiktirler, çeşitli biyolojik çözeltilerde hızlı toplanma eğilimi gösterirler ve yüzeyin işlevselleştirilmesi zordur. Bu dezavantajların üstesinden gelmek için kabuklu nanopartiküller kullanılabilir. Stabilite, yüzey işlevselleştirme kolaylığı ve biyouyumluluk sağlamak için kabuk olarak inorganik malzemeler kullanılır. Nanopartikül kabuklarının oluşumu için uygun ve optimal malzeme, biyolojik olarak uyumlu ve oldukça stabil olan altındır.

Küçük altın parçacıklarının kolloidal çözeltileri eski çağlardan beri tıbbi amaçlarla kullanılmaktadır. Bununla birlikte, ancak son yıllarda, altın nanopartiküllerin benzersiz optik ve fizikokimyasal özelliklerine ilişkin yeni verilerin ortaya çıkması sayesinde, bunların hem deneysel biyoloji ve tıpta hem de pratikte çeşitli biyolojik ve tıbbi amaçlarla aktif kullanımı başlamıştır.

Altın ve diğer soy metal parçacıklarına (gümüş nanoparçacıklar gibi) olan ilgi, ışıkla etkileşime giren metal nanoparçacıklardaki lokalize plazmon rezonanslarının uyarılmasıyla ilişkili benzersiz optik özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Yüzey plazmonlarının bu uyarımları, rezonans soğurulması, saçılma, güçlü yerel alanların oluşumu, dev Raman saçılması gibi plazmonla güçlendirilmiş doğrusal özelliklerin tamamına yol açar.

Biyomedikal araştırmalarda kullanılan nanoteknoloji, çeşitli biyolojik reaktifleri iyi adsorbe eden altın ve gümüş nanopartiküllerini kullanır. Böylece biyolojik makromoleküller, prob görevi gören moleküller, örneğin antikorlar, metal nanopartiküllere bağlanabiliyor. Çekirdek olarak bir nanoparçacık ve bunlara bağlı biyolojik moleküller içeren nanoyapılara biyokonjugatlar veya konjugatlar denir. Bu durumda biyomakromoleküllerin nanopartiküllere bağlanmasına fonksiyonelleştirme adı verilmektedir. Böyle bir durumda konjugattaki biyomakromolekül, hedef olan biyolojik varlığa bağlanmak için kullanılır. Altın nanopartikülleri iyi biyouyumlulukları, düşük kimyasal reaktiviteleri ve iyi işlevsellikleri nedeniyle biyotıpta da yaygın olarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte, gümüş gibi bazı metaller yüksek kimyasal reaktivite sergileyebildiğinden, yüzey plazmon rezonansı temelinde çalışan bu tür metal nanopartiküllerin, onları biyolojik analitle temastan koruyacak bir dielektrik kabuk ile çevrelenmesi gerekir. Bu nedenle, kabuklu nanopartiküller pratik uygulamalar için uygundur: iyi işlevselleştirme sağlayan altın kabuklu dielektrik nanopartiküller veya analitle kimyasal teması önleyen dielektrik kabuklu metal nanopartiküller. Bununla birlikte, nanopartiküllerin dielektrik kabuğunun kalınlığındaki bir artışın hassasiyette bir azalmaya, yani analiz edilen çözeltinin kırılma indeksi değiştiğinde plazmon rezonansının maksimum kaymasında bir azalmaya yol açtığı unutulmamalıdır. Bu nedenle önemli bir görev, nanopartiküllerin parametrelerini optimize etmek ve bunların geometrik boyutlarını ve kabuk kalınlığını seçmektir; bu, maksimum yüzey plazmon rezonansının spektral kaymasının hassasiyetini artıracaktır.

Biyomedikal amaçlar için, örneğin floresans tomografisi için kullanılan, ışıldayan problar veya etiketler olarak kullanılabilen yarı iletken nanopartiküller kullanılır. Ayrıca, daha geniş aralıklı bir yarı iletkenden yapılmış bir kabuk ile yarı iletken nanopartiküllerin kullanılması, artan lüminesansa yol açar.

Bu çalışma, metal bir kabuk ile çevrelenmiş yarı iletken bir çekirdeğe sahip küresel nanopartikülleri ele almaktadır. Bir metalin dielektrik sabiti Drude modeli çerçevesinde ele alınır ve aşağıdaki formülle ifade edilir:

burada ep dielektrik sabitinin kafes kısmıdır,

wр - metal için plazma frekansı,

g metalin çarpışma frekansıdır. Çarpışma frekansı ortamdaki zayıflamanın varlığını belirler.

Bir yarı iletkenin dielektrik sabiti tensörü bilinen biçimde yazılır:

, (2)

burada dielektrik sabit tensörün bileşenleri aşağıdaki forma sahiptir:

Burada wpp yarı iletkenin plazma frekansıdır,

wc - siklotron frekansı,

n yarı iletken için çarpışma frekansıdır,

e0р bir yarı iletken için dielektrik sabitinin kafes kısmıdır.

Model yarı iletkenin dielektrik sabit tensör bileşenlerinin frekans bağımlılığının hesaplanmasının sonuçları Şekil 1 ve 2'de sunulmaktadır.

Şekil 1 ve 2'den dielektrik sabit tensör bileşenleri e^ ve ea'nın frekansa bağımlılığının karmaşık olduğu açıktır. Belirli bir frekansta siklotron frekansı wс'ye bağlı olarak tensör bileşenlerinin işaretinde bir değişiklik gözlenir. Nanopartikülün çekirdeği bir yarı iletkenden yapılmışsa, e^ ve ea bileşenlerinin işaretindeki böyle bir değişiklik, metal kabuk ile arayüzde yüzey plazmon rezonansının frekansında bir değişikliğe ve hatta ortaya çıkmasına yol açar. yüzey plazmon rezonansının yeni frekansları.

Şekil 1. Bir yarı iletkenin dielektrik sabitinin tensör bileşeni e^'nin frekansa bağımlılığının grafiği. Kesintisiz eğri: wс=1,5×1014 rad/s, noktalı çizgi: wс=2×1014 rad/s, uzun noktalı çizgi: wс=4×1014 rad/s

İncir. 2. Bir yarı iletkenin dielektrik sabitinin tensör bileşeni ea'nın frekansa bağımlılığının grafiği. Kesintisiz eğri: wс=1,5×1014 rad/s, noktalı çizgi: wс=2×1014 rad/s, uzun noktalı çizgi: wс=4×1014 rad/s

Bir yarı iletken için siklotron frekansı aşağıdaki şekilde hesaplanır (CGS sisteminde):

burada H, dış manyetik alanın gücüdür.

Bir yarı iletkenin siklotron frekansı dış manyetik alanın büyüklüğüne bağlı olduğundan, manyetik alanı değiştirerek metal kabuklu nanopartiküllerdeki yüzey plazmon rezonansının frekansını değiştirmek mümkündür. Bu nedenle, kabuk ve yarı iletken çekirdeğe sahip nanopartiküller aşağıdaki önemli özelliğe sahiptir: bu tür nanopartiküllerin elektrodinamik parametreleri, harici manyetik alanın büyüklüğü değiştirilerek kontrol edilebilir.

Küresel yarı iletken-metal arayüzünde gözlemlenen maksimum yüzey plazmon rezonansının konumunu bulmak, analitik çözümü olmayan karmaşık bir problemdir. Yüzey plazmon rezonansının frekansını sayısal olarak belirlemek için, çalışmalarda açıklanan yönteme uygun olarak metal kabuklu bir nanopartikülün absorpsiyon kesitini hesaplayacağız. Absorbsiyon kesitinin hesaplanmasının sonuçları Şekil 3'te sunulmaktadır.

Şek. 3. Altın kabuklu bir yarı iletken nanopartikülün absorpsiyon kesitinin hesaplanması. Çekirdek yarıçapı 27 nm, kabuk kalınlığı 17 nm. Kesintisiz eğri: wс=1,5×1014 rad/s, noktalı çizgi: wс=2×1014 rad/s

Şekil 3'te, dış manyetik alandaki artışla birlikte yarı iletkenin siklotron frekansının 1,5 × 1014 rad/s'den 2 × 1014 rad/s'ye yükselmesinin, maksimumda bir kaymaya yol açtığı açıkça görülmektedir. yüzey plazmon rezonansı 1,35 μm'den 1,58 mikrona kadar.

Çalışma, biyolojik ve tıbbi araştırmalar için sensör olarak kullanılabilecek kabuklu nanopartikülleri inceliyor. Yarı iletken bir çekirdek ve metal bir kabuktan oluşan nanopartiküller dikkate alınır. Drude modeli çerçevesinde hesaplanan metalin dielektrik sabiti ve yarı iletkenin dielektrik sabiti tensörünün bileşenlerinin frekans bağımlılığı dikkate alınarak, söz konusu nanopartiküllerin altın kabuklu absorpsiyon kesitinin hesaplamaları yapıldı. gerçekleştirillen. Manyetik alandaki bir değişikliğin nanopartiküllerdeki yüzey plazmon rezonansının konumunu etkilediği gösterilmiştir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlar, manyetik rezonans görüntüleme için kontrast maddeleri veya biyolojik belirteçler oluşturmak için kullanılabilir.

Bibliyografik bağlantı

Orkina V.E., Golovkina M.V. BİYOLOJİK ARAŞTIRMALAR İÇİN KABUKLU NANOPARÇACIKLARIN PARAMETRELERİNİN HESAPLANMASI // Uluslararası Öğrenci Bilimsel Bülteni. – 2018. – Sayı 2.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=18408 (erişim tarihi: 12/17/2019). "Doğa Bilimleri Akademisi" yayınevinin yayınladığı dergileri dikkatinize sunuyoruz

Nanopartiküller nelerdir?
Nanometre ölçeklerinde meydana gelen optik süreçlerin özellikleri
Yarı iletken parçacıkların spektral özellikleri
Metal parçacıklarının spektral özellikleri
Hibrit nanopartiküller ve bunların spektral özellikleri

Kullanılan terimler

Diferansiyel saçılma kesiti – birim katı açı başına birim zamanda saçılan parçacık sayısının oranına eşit fiziksel miktarDΩ , gelen parçacıkların akı yoğunluğuna
Toplam saçılma kesiti – tam katı açı boyunca entegre edilmiş diferansiyel saçılma kesitidir
Absorbe oranı – paralel bir ışın oluşturan monokromatik radyasyon akışının ortamdaki emilimin bir sonucu olarak azaldığı mesafenin tersie bir kere

Ne oldu nanopartiküller?

Nanopartiküller, boyutları birkaç nanometreden birkaç yüz nanometreye kadar değişen nesneleri ifade eder. Kural olarak, bunlar ya nanometre ölçeğinde kristallerdir ( nanokristaller) veya büyük moleküller

1 – fulleren C 60; 2 – tek katmanlı yarı iletken kuantum noktası; 3 – “çekirdek-kabuk” tipinin kuantum noktası; 4 – Altın nanopartiküllerin TEM görüntüsü; 5 – Gümüş nanopartiküllerin TEM görüntüsü.

Kuantum noktaları

Esas olarak nanopartiküllerin özel durumunu ele alacağız - kuantum noktaları. Kuantum noktası yük taşıyıcılarının (elektronlar veya delikler) hareketinin her üç boyutta da sınırlı olduğu bir kristaldir. Bir kuantum noktası yüzlerce atomdan oluşur!

Şu anda kimyagerler çok çeşitli bileşimlerdeki kuantum noktalarını sentezleyebilmektedir. En yaygın kuantum noktaları kadmiyum bazlıdır (örn. CdSe).

Nanooptik nanometre ölçeklerinde lokalize ışık alanları yaratmanın fiziksel özelliklerini, yapısını ve yöntemlerini inceler.
Geleneksel optik ve lazer fiziği uzak (dalga) bölgedeki ışık alanlarıyla ilgilenmek R" λ.
Optik aralığın özellikleri– dipol yaklaşımı yayıcı boyutu A" λ → a ~0,1 – 1 nm; λ ~0,2 – 1 µm (UV – IR).
Yakın alan optiği (dalga boyu altı optik) kaynaktan uzaktaki alanlarla ilgilenir (nesne)R" λ (birkaç nm'ye kadar).
Bu gibi durumlarda, sıradan (yayılan) dalgalara ek olarak, lokalize (geçici) dalgalar da dikkate alınmalıdır! Bu özellikle dikkate alındığında önemlidir parçacık toplulukları !

Yakın alan etkileşiminin dikkate alınması, alanların davranışında niteliksel bir değişikliğe yol açar

Lokalize alanların etkisinin hesaba katılması, polarizasyonu yayılma yönü boyunca yönlendirilen ışığın yayılma olasılığına yol açar. Bu tür dalgalar (boyuna denir) geleneksel optikte dikkate alınmaz. Ancak nanometre nesnelerle çalışırken bu tür dalgaların yoğunlukları, geleneksel (enine) elektromanyetik dalgaların yoğunluklarını aşabilir.

En basit nanofotonik ayırıcı

Sol: yönde polarizasyon X, birlikte dalga yayılımı

Sağda: yönde polarizasyon E, karşısında dalga yayılımı

Nanometre ölçeklerinde meydana gelen optik süreçlerin özellikleri

Yerelleştirilmiş alanların etkisi dikkate alınmalıdır
Nanoyapıların yakınındaki elektromanyetik alanlar, boş uzaydaki ve dökme malzemelerdeki alanlardan önemli ölçüde farklılık gösterir.
Bu koşullar, nanoyapıların sınırlarına yakın yerlerde meydana gelen etkiler göz önüne alındığında ve ayrıca yakın konumdaki nanopartiküllerin etkileşimi sırasında özellikle önemlidir.
Lokalize alanlar uzayın sınırlı kısımlarında mevcuttur, ancak bu tür alanların yoğunlukları önemli olabilir ve bu da doğrusal olmayan optik olayların ortaya çıkmasına neden olabilir.
Eğer incelenen nanonesnelerin boyutları 10 nm'den küçükse, kuantum etkileri rol oynamaya başlayabilir ve dielektrik sabiti kavramının uygulanamaz olmasına yol açabilir.

Yarı iletken nanopartiküllerin spektral özellikleri

Yığın bir malzemede, bir elektron iletim bandında herhangi bir boş konumu işgal edebilir. Bir elektron değerlik bandına döndüğünde yayılan fotonların spektrumu süreklidir.
Bir kuantum noktasında, iletim bandının alt kısmında uzaysal olarak sınırlı bir azalma ve değerlik bandının üst kısmında bir artış vardır. Kuantum mekaniği yasalarına bağlı olarak elektronun izin verilen enerji seviyeleri ayrı bir spektrum oluşturur.

Kuantum noktasındaki enerji seviyeleri

Elektronun ve deliğin enerji seviyeleri kuantum noktasının genişliğinin karesiyle ters orantılıdır! Farklı boyut ve şekillerde kuantum noktaları seçerek onların ışığı yaymasını veya absorbe etmesini sağlayabilirsiniz. verilen dalga boyu. Bu kullanımına izin verir aynı malzeme ancak farklı boyut ve şekiller, belirli bir spektral aralıkta yayılan ışık kaynakları oluşturur!

Kuantum noktalarının emisyon spektrumları

Çekirdek yarıçapında l = 470 nm ışıkla ışınlanan CdSe/ZnS çekirdek-kabuk kuantum noktalarının floresansının bağımlılığı.

Bir GaAs matrisine yerleştirilmiş In(Ga)As kuantum noktalarının normalleştirilmiş emisyon spektrumları.

Yarı iletken nanopartiküllerde olduğu gibi, metal partiküllerin spektral özellikleri önemli ölçüde boyutlarına ve şekillerine bağlıdır. Bununla birlikte, yarı iletkenlerden farklı olarak metallerde bu olay temel olarak uyarılma ile ilişkilidir. plazmonlar . Işık, metal boyunca serbestçe hareket edebilen elektronlarla etkileşime girdiğinde, elektronların kristal kafesteki iyonların konumuna göre konumu, ωp plazma frekansıyla salınmaya başlar. Plazma salınımlarının kuantumlarına denir plazmonlar .

Işığın bir metalin yüzeyi ile etkileşimi durumunda, elektromanyetik dalga metalin içine yalnızca çok kısa mesafelerde (gümüş ve altın için 50 nm'den az) nüfuz eder, dolayısıyla titreşimlere asıl katkı, yakınlarda bulunan elektronlar tarafından yapılır. yüzey. Onların kolektif titreşimlerine denir yayılan yüzey plazmonları . Serbest elektronlar metalin belirli bir sonlu hacmiyle sınırlıysa (metal nanoparçacıklarda olduğu gibi), titreşimler lokalize olur ve bunların kuantalarına denir. lokalize yüzey plazmonları .

Plazmon rezonansı

Kristalin farklı kısımlarında uyarılan plazmon salınımları yapıcı bir şekilde girişimde bulunursa bu olay meydana gelir. plazmonik rezonans . Bu durumda sönme kesiti (absorbsiyon + saçılma) önemli ölçüde artar. Zirvenin spektrumdaki konumu ve büyüklüğü önemli ölçüde parçacığın şekline ve boyutuna bağlıdır.

Bir nano üçgenin farklı enerjilere sahip bir elektron ışınıyla ışınlanmasıyla uyarılan plazmon salınım modları. Enerjiye bağlı olarak maksimum alan köşelerde, yüzlerin merkezlerinin yakınında ve üçgenin merkezinde belirir.

Metal nanoparçacıkların spektrumlarının şekil ve boyutlarına bağımlılığı

Çeşitli metal nanopartiküller için saçılma spektrumlarındaki maksimumlar: a) gümüş nanoprizmalar; b) 100 nm boyutunda altın boncuklar; c) 50 nm boyutunda altın boncuklar; d) 100 nm boyutunda gümüş boncuklar; e) 80 nm boyutunda gümüş boncuklar; f) 40 nm boyutunda gümüş boncuklar.

Gümüş nanoparçacıkların yok olma spektrumunun parçacık şekline bağımlılığı.

Metal parçacıklarının spektral özellikleri

Metal nanopartiküllerin spektral özellikleri, lokalize yüzey plazmonlarının rezonansı olgusu ile ilişkilidir.
Metal nanopartiküllerin yok olma spektrumunun konumu, büyüklüğü ve şekli, nanopartiküllerin şekline ve boyutuna bağlıdır.
Bir metal nanopartikülün boyutunu ve şeklini değiştirerek, maksimum yok olma kesitinin istenen spektral aralığa düşmesini sağlayabiliriz.
Bu özelliği kullanarak, güneş spektrumunun farklı bölümlerinin farklı nanopartiküller tarafından emilmesi nedeniyle güneş pillerinin verimliliğini önemli ölçüde artırmak mümkündür.

Hibrit nanopartiküller

Hibrit nanopartiküller metal ve yarı iletken gibi çeşitli malzemelerden oluşur. Boyut küçüldükçe farklı malzemelerin özellikleri farklı şekilde değiştiğinden, hibrit nanopartiküllerin optik özelliklerini açıklarken, nanonesneyi oluşturan çeşitli bileşenler arasındaki etkileşimi hesaba katmak gerekir.

Hibrit nanopartiküllerin optik özelliklerini, bir metal çekirdek ve agrega halindeki bir boya kabuğundan oluşan "çekirdek-kabuk" tipindeki metal-organik nanopartiküller örneğini kullanarak ele alalım.

Çekirdeğin bozulmamış plazmon rezonans tepe noktalarının (Ag ve Au) ve boya J-agrega kabuğunun eksiton tepe noktasının (TC, OC, PIC) göreceli konumu

Ag/J-agregat ve Au/J hibrit nanopartiküllerin tipik ışık absorpsiyon spektrumları-birim

Ag/J-toplu hibrit nanopartiküllerin fotoabsorpsiyon spektrumlarının doğasına bağımlılık ( tepe konumları ve yoğunlukları) sabit bir çekirdek yarıçapında boyanın dış kabuğunun kalınlığına göre

Kabuk kalınlığı: ℓ=2 nm (1); ℓ= 4 nm (2); ℓ= 6 nm (3); ℓ= 8 nm (4); ℓ= 10 nm (5); ℓ=12 nm (6). Nanopartikül çekirdeğinin yarıçapı değişmez: R= 30 nm

Hibrit nanopartiküllerin optik özelliklerinin şekillerine bağlılığı

Çalışmanın amacı: J-toplu siyanin boyası ile kaplanmış, metal çekirdekli (Ag, Au) 2 katmanlı küresel nanopartiküller.

Ag/J-agregalı kompozit sistemlerin absorpsiyon spektrumunun geometrik parametrelere bağımlılığı

Hibrit nanopartiküllerin spektral özellikleri

Hibrit parçacıkların spektral özellikleri, nanoparçacığı oluşturan bileşenlerin özelliklerinden önemli ölçüde farklıdır.
Nanopartikül bileşenlerinin etkileşimi, absorpsiyon kesitlerindeki tepe noktalarının pozisyonunda bir kaymaya, yeni tepe noktalarının ortaya çıkmasına ve ayrıca absorpsiyon kesitlerinin tepe değerlerinde bir değişikliğe yol açabilir.
Absorbsiyon kesitlerindeki piklerin konumu ve sayısı nanopartikülün şekline bağlıdır.
Küresel olmayan parçacıklar için maksimum absorpsiyon konumları, gelen radyasyonun polarizasyonuna bağlıdır.
Hibrit bir nanopartikülün çeşitli geometrik parametrelerini seçerek, absorpsiyon tepe noktalarında istenen spektral bölgeye bir kayma elde etmek mümkündür; bu da hibrit nanopartiküllerin spektral özelliklerinin kontrol edilmesi olasılığını açar.

sonuçlar

Nanopartiküllerin optik özellikleri, dökme malzemenin özelliklerinden kökten farklıdır.
Neredeyse tüm nanopartiküller için spektral özellikler, partiküllerin şekli ve boyutundaki değişikliklerle önemli ölçüde değişir.
Nanopartiküllerin geometrik parametrelerini değiştirerek gerekli optik özellikleri elde etmek mümkündür.
Nanopartikül topluluklarını dikkate alırken bireysel partiküller arasındaki etkileşimi hesaba katmak gerekir.
Hibrit nanopartiküllerin spektral özellikleri, kendilerini oluşturan bileşenlerin özelliklerinden farklıdır (bütün, parçaların toplamına eşit değildir!)

Kaynakça

L. Novotny, B. Hecht, Temel bilgilernanooptik, Moskova, Fizmatlit 2011
Y. Masumoto, T. Takagahara, Yarı iletken Kuantum Noktaları, Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 2002
VS. Lebedev ve diğerleri, Kolloidler ve Yüzeyler A 326, 204 (2008); Kuantum Elektroniği 40, 246 (2010)
V.S.Lebedev, A.S. Medvedev, Quantum Electronics 42, 701 (2012); Kuantum Elektroniği 43, Sayı 11(2013); J. Russ. Lazer Çöz. 34.303(2013)
R.B. Vasilyev, D.N. Dirin, AM Gaskov, Uspekhi Khimii, 80, 1190 (2011)
V. M. Agranovich, Yu. N. Gartstein ve M. Litinskaya, Chemical Reviews, 111, 5179 (2011)
O. Schaefer, Nanobilim, Springer Heidelberg Dordrecht Londra New York, 2010
Sergio G. Rodrigo, Optik özellikler Nanoyapılımetalik Sistemler, Springer Heidelberg Dordrecht Londra New York, 2012