Исследователи из Университета ИТМО и Университета им. Давида Бен-Гуриона в Негеве предложили использовать золотые наночастицы для создания метаповерхности. Она может стать основой компактных устройств для точного определения молекулярного состава жидкостей и газов. Статья ученых опубликована в журнале Nanomaterials.

Сегодня специалисты все пристальнее следят за состоянием воздуха и воды, определяя наличие в них вредных для здоровья соединений. Для химического анализа вод и атмосферы сегодня необходимо сложное оборудование. Самая распространенная методика, используемая сегодня для этой цели, — колебательная спектроскопия. Она позволяет с легкостью узнать молекулярный состав вещества без изначальных дополнительных данных.

Колебательная спектроскопия использует для анализа среднюю инфракрасную (ИК) область спектра, в которую входят длины волн от 2,5 до 25 микрометров. В этом диапазоне достигается наиболее удобное для анализа соотношение количества падающего и прошедшего через вещество излучения. Тем не менее анализаторы для среднего ИК-диапазона довольно велики, громоздки и дороги. К тому же из-за своих физических характеристик они не дают возможности детектировать малое количество определенных веществ.

Если теоретически возможно было бы сместить диапазон падающего излучения на ближний ИК-спектр, часть проблем, связанных с этой технологией, удалось бы решить. Ближний ИК диапазон освоен гораздо лучше среднего, прежде всего благодаря тому, что именно в этом диапазоне работают современные телекоммуникационные технологии.

Однако уменьшение длины волны приводит к тому, что разница между энергией падающего на образец излучения и прошедшего сквозь него получается очень небольшой и сложно улавливаемой для детектора. В результате для качественного анализа требуется большее количество вещества, а значит, установка перестает быть компактной. Кроме того, использование ближнего ИК-диапазона затрудняет анализ сверхмалых количеств соединений, например ядов.

Российские и израильские исследователи решили выяснить, как усилить сигнал, получаемый от разницы падающей и проходящей сквозь вещество энергии. Авторы нового исследования создали на подложке из прозрачного диэлектрика — боросиликатного стекла — периодический массив золотых нанопараллелепипедов. Такие структуры можно получить с помощью электронно-лучевой литографии. Затем исследователи покрыли подложку тонким слоем исследуемого вещества и попробовали снять спектр пропускания образца, который обусловлен совместным возбуждением плазмонного резонанса в золотых наночастицах и молекулярных колебаний исследуемого вещества.

Золотые нанопараллелепипеды рассчитанной формы имеют плазмонный резонанс именно в той области спектра, в которой находятся полосы поглощения исследуемых молекул. Кроме того, вблизи металлической поверхности происходит дополнительное усиление поля. Это позволяет увеличить чувствительность нового сенсора.