Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 17 – vyšlo 24. dubna, ročník 7 (2009) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

17/2009

Zlaté nanohvězdičky – nanozesilovače pro Ramanovu spektroskopii

Vítězslav Kříha

Ve světě nanonástrojů vyšla nová hvězda, a to doslova: zlaté nanohvězdičky představují zatím poslední pokrok při zesilování molekulárních „otisků prstů“, Ramanových spekter. Otevírají se tak možnosti detekce extrémně nízkých koncentrací sloučenin, což pochopitelně upoutává pozornost nejen analytických chemiků, ale i biologů, lékařů a farmakologů díky možnosti aplikovat nanohvězdičky do biologického materiálu in vitroIn vitro – ve zkumavce. i in vivoIn vivo – na živém organizmu.. Své uplatnění si tyto nové mimořádně citlivé detekční nástroje jistě najdou i v jiných vědních oborech, například při studiu životního prostředí či kriminalistice.

Ramanův jev – také Ramanův rozptyl (kombinační rozptyl, Mandelstamův rozptyl, Smekalův-Ramanův rozptyl). Jde o změnu směru i velikosti vlnového vektoru a polarizace fotonů při průchodu prostředím v důsledku interakce s dvěma stavy atomu či molekuly. Rozptýlené fotony mají jinou frekvenci, fázi i polarizaci a nesou informace o energetickém spektru rozptylového centra a u molekul dokonce i o prostorové orientaci konkrétní chemické vazby, tedy jakési molekulární „vizitky“. Pokud má rozptýlený foton nižší energii než původní, hovoříme o tzv. Stokesově fotonu. Bez speciálních opatření je však tímto způsobem rozptylován pouze jediný foton ze stovek miliónů až stovek miliard dopadajících fotonů. Účinný průřez Ramanova rozptylu je zhruba 10−30 cm2. Pokud do prostředí posíláme fotony s vhodnou frekvencí, může dojít ke stimulovanému Ramanovu rozptylu, který je mnohem účinnější. Na tomto jevu jsou založeny Ramanovy lasery. SERS – povrchem zesílený Ramanův rozptyl (Surface Enhanced Raman Scattering). Při Ramanově rozptylu na molekulách navázaných na povrch drahého kovu (zlata, stříbra) může dojít k zesílení jak rozptýleného tak dopadajícího záření díky rezonanční interakci fotonů s kvanty kmitů elektronového plynu v poli iontů krystalové mříže vázaných na povrch. Plazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. Povrchové plazmony – plazmony vyskytující se na rozhraní vakua či materiálu s kladnou relativní permitivitou a prostředí se zápornou relativní permitivitou (obvykle kovy či dotované polovodiče). Silně interagují s fotony a vytvářejí tak další kvazičástici – polariton.

Ramanův rozptyl

Skutečnost, že ve spektru rozptýleného světla s čárovým spektrem je možné nalézt dodatečné čáry, které odpovídají součtům či rozdílům frekvence spektrální čáry dopadajícího světla a frekvencí odpovídajících rozdílům energií rotačních a vibračních stavů rozptylových center, pozorovali v roce 1928 indičtí vědci Sir Chandrasekhara Venkata Raman (který za tento objev dostal roku 1930 Nobelovu cenu a jehož jméno je nejčastěji s tímto kombinačním rozptylem světla spojováno) a Kariamanikkam Srinivasa Krishnan na kapalinách. Nezávisle na nich (a o několik měsíců dříve) tento jev pozorovali ruští fyzici Grigorij Landsberg a Leonid Mandelstam. Samotný jev nepružného rozptylu světla byl teoreticky předpovězen již v roce 1923 rakouským fyzikem Adolfem Smekalem. Systematický popis kombinačního rozptylu provedl v letech 1930-34 československý fyzik Georg Placzek.

Z kvantově mechanického pohledu si lze rozptyl světla představit jako přechod elektronuElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10⁻³¹ kg a elektrický náboj 1,6×10⁻¹⁹ C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. po dopadu primárního fotonuFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. ze základní hladiny na virtuální hladinu a následné vyzáření sekundárního fotonu při přechodu elektronu zpět na základní hladinu. Při pružném rozptylu se frekvence rozptýleného fotonu (a následně velikost vlnového vektoru) nemění – hovoříme o Rayleighově rozptylu. K této události dochází u dopadajících fotonů s pravděpodobností 1:10⁴. Při nepružném, Ramanově, rozptylu dochází ke změně energie rozptylovaných fotonů s pravděpodobností 1:10⁸–10¹¹. Energie se může u rozptylovaného fotonu snížit, pokud se elektron po přechodu na virtuální hladinu vrátí zpět na vyšší hladinu, než je základní. Těmto rozptýleným fotonům říkáme Stokesovy. Rozdíl energií dopadajícího a rozptýleného fotonu pak přesně odpovídá rozdílu mezi základní a vyšší hladinou. Při vyšších teplotách je možná i opačná situace: Elektron přejde po dopadu primárního fotonu z vyšší (než základní) hladiny na virtuální hladinu a sekundární foton je vyzářen po přechodu elektronu do základního stavu. Rozptýlený foton pak má energii navýšenou o rozdíl mezi výchozí hladinou a základním stavem; hovoříme o anti-Stokesově fotonu.

Spektrum Stokesových a anti-Stokesových fotonů vytváří Ramanovo spektrum vyšetřovaného vzorku. Obvykle se vyjadřuje v podobě závislosti intenzity na posunu vlnového číslaVlnové číslo – velikost vlnového vektoru, 2π/λ.. Z tohoto posunu lze zrekonstruovat vibrační hladiny rozptylových center. Vzhledem k tomu, že zdrojem dopadajících fotonů bývá laserLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu., je u dopadajících fotonů definována polarizacePolarizace světla – jde o vlastnost, pomocí níž popisujeme určitou chaotičnost světla. Elektromagnetické záření je příčným vlněním, které lze ve vakuu popsat kmity vektorů E a B kolmých na sebe a na směr šíření vlny. U nepolarizované vlny opisují koncové body obou vektorů chaotické křivky. U polarizovaného světla je naproti tomu průmět obou vektorů do roviny kolmé na směr šíření vlny přesně definován. Podle tohoto průmětu pak rozlišujeme polarizaci rovinnou, kruhovou, a eliptickou. Polarizaci posuzujeme dohodou podle roviny kmitů elektrického vektoru. Při kruhové polarizaci opisuje konec elektrického vektoru v prostoru kružnici. Příkladem polarizovaného záření je například záření odražené od rovinného zrcadla. a směr vlnového vektoruVlnový vektor – prostorová změna fáze vlnění. Složky vlnového vektoru získáme jako prostorové derivace fáze vlnění. Pro monochromatickou vlnu je velikost vlnového vektoru rovna 2π/λ. Vlnový vektor míří ve směru pohybu vlnění.. Z těchto charakteristik u rozptýleného záření lze dovozovat orientaci chemických vazeb v prostoru.

Schéma Rayleighova rozptylu

Schéma Ramanova rozptylu, rozptyl Stokesových fotonů

Schéma Ramanova rozptylu, rozptyl anti-Stokesových fotonů.

Povrchem zesílený Ramanův rozptyl, SERS

Ačkoli je Ramanův rozptyl teoreticky schopen identifikovat pomocí analýzy spektra i jednotlivou chemickou vazbu, velice nízká incidence rozptylu značně omezovala využití tohoto jevu jako senzoru sloučenin. Dalším významným mezníkem k využití kombinačního rozptylu byl objev povrchově zesíleného Ramanova rozptylu uskutečněný roku 1977 dvěma skupinami výzkumníků nezávisle na sobě. Historicky první SERSSERS – povrchem zesílený Ramanův rozptyl (Surface Enhanced Raman Scattering). Při Ramanově rozptylu na molekulách navázaných na povrch drahého kovu (zlata, stříbra) může dojít k zesílení jak rozptýleného tak dopadajícího záření díky rezonanční interakci fotonů s kvanty kmitů elektronového plynu v poli iontů krystalové mříže vázaných na povrch. pyridinu adsorbovaného na povrch elektrochemicky zdrsnělého stříbra byl naměřen již v roce 1974, ale nebyl správně interpretován. Obě skupiny zároveň navrhly dvě primární teorie SERS, uznávané dodnes: elektromagnetickou, založenou na excitaci plazmonů vázaných na povrch, zatímco chemická teorie je založena na tvorbě komplexůCT komplex – CT komplex, komplex elektron-akceptor-donor, slabá vazba mezi dvěma molekulami, či různými částmi jedné dlouhé molekuly, realizovaná elektrostatickým přitahováním v důsledku přechodu elektronu do excitovaného stavu, díky němuž dojde k přenosu části náboje od donorské molekuly k molekule akceptorové. s přenosem náboje.

Nejčastěji užívanými materiály pro SERSSERS – povrchem zesílený Ramanův rozptyl (Surface Enhanced Raman Scattering). Při Ramanově rozptylu na molekulách navázaných na povrch drahého kovu (zlata, stříbra) může dojít k zesílení jak rozptýleného tak dopadajícího záření díky rezonanční interakci fotonů s kvanty kmitů elektronového plynu v poli iontů krystalové mříže vázaných na povrch. jsou zlatoZlato – aurum, chemicky odolný, velmi dobře tepelně i elektricky vodivý, ale poměrně měkký drahý kov žluté barvy. Již od dávnověku byl používán pro výrobu dekorativních předmětů, šperků a jako měnová záruka při emisích bankovek. V současné době je navíc důležitým materiálem v elektronice, kde je ceněna jeho vynikající elektrická vodivost a odolnost proti korozi. V přírodě se vyskytuje zejména ryzí. a stříbroStříbro – Argentum, ušlechtilý kov bílé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se nejlepší elektrickou a tepelnou vodivostí ze všech známých kovů. Slouží jako součást různých slitin pro použití v elektronickém průmyslu, výrobě CD i DVD nosičů a šperkařství, jeho sloučeniny jsou nezbytné pro fotografický průmysl. s povrchem s nerovnostmi alespoň o řád menšími než je vlnová délka dopadajícího světla. Rezonanční frekvence plazmonůPlazmon – kvazičástice (kvantum) podélných oscilací elektronového plynu v pevných látkách (v krystalové mříži kovů, v nekovech, v plastech). Například v kovech je možné vybudit oscilace plazmatu jako kolektivní excitace plynu vodivostních elektronů na pozadí kationtů krystalové mříže. Odražené či prošlé elektrony nebo fotony interagující s plazmony vykazují ztráty energie rovné celistvým násobkům energie plazmonu. Vytváření plazmonů (ve většině materiálů o energii 10÷20 eV) vede k energetickým ztrátám, které se projeví ve formě tzv. Ferrelova záření (objeveno v roce 1960) v UV nebo vizuálním oboru. těchto materiálů spadají do oblasti viditelného světla a blízkého infračerveného záření. Zesílení kombinačního rozptylu při plošném substrátu se pohybuje v rozsahu 10³÷10⁶.

Rozdíl mezi SERS spektrem 2-merkaptoethanolové monomolekulární vrstvy na povrchu zdrsnělého stříbra (a) a spektrem tekutého 2-merkaptoethanolu (b). V důsledku přitažlivých sil povrchu, které modifikují strukturu elektronového obalu, se obě spektra liší. (Pro názornost jsou spektra vzájemně posunuta a zobrazena v různých měřítcích.) Zdroj: Wikipedie.

SERS na nanohvězdičkách

Vzhledem ke skutečnosti, že charakteristické rozměry nerovností povrchu, při kterých bylo dosaženo maximálního zesílení kombinačního rozptylu, byly v řádu nanometrů a desítek nanometrů, bylo jen otázkou technologických možností, kdy se od nanostruktur rozložených na ploše přejde k nanočásticím rozloženým v prostoru. Používané materiály jsou stejné jako v případě SERSSERS – povrchem zesílený Ramanův rozptyl (Surface Enhanced Raman Scattering). Při Ramanově rozptylu na molekulách navázaných na povrch drahého kovu (zlata, stříbra) může dojít k zesílení jak rozptýleného tak dopadajícího záření díky rezonanční interakci fotonů s kvanty kmitů elektronového plynu v poli iontů krystalové mříže vázaných na povrch., tedy především zlatoZlato – aurum, chemicky odolný, velmi dobře tepelně i elektricky vodivý, ale poměrně měkký drahý kov žluté barvy. Již od dávnověku byl používán pro výrobu dekorativních předmětů, šperků a jako měnová záruka při emisích bankovek. V současné době je navíc důležitým materiálem v elektronice, kde je ceněna jeho vynikající elektrická vodivost a odolnost proti korozi. V přírodě se vyskytuje zejména ryzí. a stříbroStříbro – Argentum, ušlechtilý kov bílé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se nejlepší elektrickou a tepelnou vodivostí ze všech známých kovů. Slouží jako součást různých slitin pro použití v elektronickém průmyslu, výrobě CD i DVD nosičů a šperkařství, jeho sloučeniny jsou nezbytné pro fotografický průmysl. , případně měďMěď – Cuprum, ušlechtilý kovový prvek načervenalé barvy, používaný člověkem již od starověku. Vyznačuje se velmi dobrou tepelnou a elektrickou vodivostí, dobře se mechanicky zpracovává a je odolný proti atmosférické korozi. Je základní součástí řady velmi důležitých slitin a mimořádně důležitý pro elektrotechniku. a platinaPlatina – velmi těžký a chemicky mimořádně odolný drahý kov stříbřitě bílé barvy. Jako doba objevení platiny je obvykle označován rok 1735. Ušlechtilý, odolný, kujný a tažný kov, elektricky i tepelně středně dobře vodivý. V přírodě se vyskytuje zejména ryzí. Využití má v elektrotechnickém průmyslu a šperkařství.. Od původních tvarů (kuličky, zlaté kuličky se stříbrným pláštěm, tyčinky, kužely, krychličky) se v posledních letech přešlo k dosavadnímu vítěznému tvaru – zlatým nanohvězdičkám. Zesílení kombinačního rozptylu u těchto částic bylo 10× až 100 000× vyšší oproti nanočásticím, které jim předcházely. Navíc v roztoku projevují synergický efekt – při vzájemné blízkosti více nanohvězdiček dochází ke značnému zvýšení zesílení oproti jediné nanohvězdičce. Zesílení je již dostatečné na sledování jednotlivých molekul.

Díky svým malým rozměrům mohou nanohvězdičky proniknout i do nitra živé buňky bez jejího poškození, navázat na sebe testovanou látku a sledovat děje uvnitř buňky na molekulární úrovni. Možnost stanovení i stopových množství otevírá zcela nové možnosti. Diabetiky, kteří jsou dosud nuceni kvůli měření hladiny krevního cukru bolestivě bodnout do prstu jistě potěší perspektiva nekrvavého stanovování glykémie. Časná diagnostika nádorových onemocnění dostává do ruky mocný nástroj. Molekulární biologie může bezprostředně pozorovat procesy v buňkách. Farmakologie může sledovat přímo interakci léčiva s cílovým místem, analytické chemii se dostává nový rozměr. Rovněž boj proti zločinu dostává ve zlatých nanohvězdičkách neocenitelného pomocníka.

Agregáty nanohvězdiček synergicky posilují efekt SERS. Zdroj: Duke University.

Izolované nanohvězdičky. Zdroj NIST.

Obrázek nanohvězdičky v transmisním rastrovém elektronovém mikroskopuTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů. je doplněn snímkem jediné zlaté nanohvězdy pomocí mikroskopie na atomových siláchAFM – Atomic Force Microscope, mikroskop atomárních sil, zařízení skenující povrch materiálu pomocí hrotu zavěšeného na pružném výkyvném raménku. Hrot je přitahován k povrchu elektrostatickými a van der Waalsovými silami. Sledování pohybu raménka (zpravidla laserem) umožní rekonstruovat třírozměrný obraz povrchu studovaného materiálu. Mikroskop je tak citlivý, že může sledovat jednotlivé atomy. AFM mikroskop byl vynalezen v roce 1986 Gerdem Binningem, Calvinem Quatem a Christophem Gerberem. (vlevo dole) a fázovým portrétem nanohvězdičky pomocí mikroskopie na elektrostatických silách (vpravo dole, bílá místa ukazují oblasti s kumulací náboje na ostrých vrcholech hvězdičky. Zdroj: Nanotechweb.

Vypočtené hodnoty zesílení a účinného průřezu pro hypotetickou nanohvězdičku
se dvěma hroty. Zdroj: P. S. Kumar et al; Nanotechnology 19 (2008).

Postupný růst nanohvězdiček. Zdroj: Nanotechnology Today (2008).

Klip týdne: Nanohvězdičky pronikají do živé buňky

Nanohvězdičky pronikají do živé buňky. Videoklip ukazuje pohyb jednotlivých nanohvězdiček navázaných na molekuly bílkoviny EGFR (Receptor epidermálního růstového faktoru) v živé lidské buňce vypěstované ze zhoubného nádoru děložního čípku. Povšimněte si nenavázaných nanočástic rychle se pohybujících přes zorné pole. Navázané nanočástice se pohybují pomalu, směrem k buněčnému jádru. Zdroj: Aaron et al.: Opt. Express 16/3 (2008). (avi, 400 kB)

Odkazy