ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-5-824-831ntv-46Research ArticleИЗБРАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ XXXII ШКОЛЫ ПО ГОЛОГРАФИИ Часть IPROCEEDINGS OF THE XXXII SCHOOL ON HOLOGRAPHY Part IОптические свойства планарных плазмон-активных поверхностей, модифицированных золотыми нанозвездамиOptical properties of planar plasmon active surfaces modified with gold nanostarshttps://orcid.org/0000-0002-9766-1408ЗюбинА. Ю.ZyubinA. Yu.

Зюбин Андрей Юрьевич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Калининград, 236041

sc 57200305996

Andrey Yu. Zyubin — PhD (Physics & Mathematics), Senior Reseacher

Kaliningrad, 236041

sc 57200305996

azubin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3271-1635КонИ. И.KonI. I.

Кон Игорь Игоревич — младший научный сотрудник

Калининград, 236041

sc 57218930458

Igor I. Kon — Junior Researcher

Kaliningrad, 236041

sc 57218930458

IKon@kantiana.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7428-6441КундалевичА. А.KundalevichA. A.

Кундалевич Анна Анатольевна — инженер-исследователь

Калининград, 236041

sc 57200305996

Anna A. Kundalevich — Research Engineer

Kaliningrad, 236041

sc 57200305996

kundalevich3@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9481-1549ДемишкевичЕ. А.DemishkevichE. A.

Демишевич Елизавета Александровна — инженер-исследователь

Калининград, 236041

sc 57219605515

Elizaveta A. Demishkevich — Research Engineer

Kaliningrad, 236041

sc 57219605515

LDemishkevich@kantiana.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2585-163XМатвееваК. И.MatveevaK. I.

Матвеева Карина Игоревна — младший научный сотрудник

Калининград, 236041

sc 57200305996

Karina I. Matveeva — Junior Researcher

Kaliningrad, 236041

matveeva.k.i@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5717-8625ЗозуляА. С.ZozulyaA. S.

Зозуля Александр Сергеевич — техник

Калининград, 236041

Alexander S. Zozulya — Tecnician

Kaliningrad, 236041

zozul97@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6984-172XЕвтифеевД. О.EvtifeevD. O.

Евтифеев Денис Олегович — студент

Калининград, 236041

Denis O. Evtifeev — Student

Kaliningrad, 236041

d.o.eftifeev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0059-9151ПолторабатькоД. А.PoltorabatkoD. A.

Полторабатько Дарья Алексеевна — студент

Калининград, 236041

Darya A. Poltorabatko — Student

Kaliningrad, 236041

pdarenok@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5026-7510СамусевИ. Г.SamusevI. G.

Самусев Илья Геннадьевич — кандидат физико-математических наук, директор Научно-образовательного центра «Фундаментальная и прикладная фотоника. Нанофотоника»

Калининград, 236041

sc 12779220200

Ilia G. Samusev — PhD (Physics & Mathematics), REC Head “Fundamental and Applied Photonics. Nanophotonics”

Kaliningrad, 236041

sc 12779220200

ISamusev@kantiana.ruБалтийский федеральный университет имени Иммануила КантаРоссияImmanuel Kant Baltic Federal UniversityRussian Federation202211122024225824831Copyright © Зюбин А.Ю., Кон И.И., Кундалевич А.А., Демишкевич Е.А., Матвеева К.И., Зозуля А.С., Евтифеев Д.О., Полторабатько Д.А., Самусев И.Г., 20242024Зюбин А.Ю., Кон И.И., Кундалевич А.А., Демишкевич Е.А., Матвеева К.И., Зозуля А.С., Евтифеев Д.О., Полторабатько Д.А., Самусев И.Г.Zyubin A.Y., Kon I.I., Kundalevich A.A., Demishkevich E.A., Matveeva K.I., Zozulya A.S., Evtifeev D.O., Poltorabatko D.A., Samusev I.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/46Предмет исследования

Предмет исследования. Рассмотрены экспериментальные и теоретические результаты изучения оптических свойств планарных, модифицированных золотыми нанозвездами кварцевых поверхностей, полученных с применением спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния света. Созданы функционализированные нанозвезды поверхности — прототипы оптических сенсоров. Приведены результаты моделирования, химического синтеза и исследования оптических и морфологических свойств исследованных структур.

Метод

Метод. Предложен комплексный метод создания и оценки оптических свойств планарных наноструктур. Моделирование реализовано с использованием метода конечных разностей во временной области (FDTD, Finite-Difference Time-Domain) напряженности электрического поля вблизи поверхностей нанозвезд золота в коллоидных растворах и на кремниевой поверхности. При проведении моделирования учтены такие параметры, как размер частиц и зависимость эффективного усиления электромагнитного поля от морфологических параметров нанозвезд. Представлена перспективность теоретического подхода к расчетам рассмотренных структур, их химического синтеза и исследования оптических свойств.

Основные результаты

Основные результаты. Выполнен расчет параметров электрического поля и оптических свойств вблизи нанозвезд разных размеров. Параметры рассчитаны методом конечных разностей во временной области. Определены оптимальные размеры нанозвезд при изменении толщины поверхностных слоев для получения максимальных значений рассеяния и дальнейшего использования исследованных структур гигантского комбинационного рассеяния света в экспериментах. Выполнен синтез нанозвезд, исследованы их оптические и морфологические свойства, а также проведена функционализация кварцевых поверхностей и созданы прототипы сенсоров с целью дальнейшей оценки усиления сигнала (комбинационного рассеяния света). По результатам математического моделирования определены оптимальные размеры для синтеза нанозвезд, который осуществлен двухступенчатым химическим методом с использованием зародышевых частиц. Для проведения экспериментальной части по получению спектров гигантского комбинационного рассеяния применен спектрометр Centaur U (ООО «НаноСканТехнология», Россия). Спектрометр оснащен тремя источниками: He-Ne лазером (λ = 632,8 нм, 17 мВт) и двумя DPSS лазерами (λ = 532 нм и λ = 473 нм, 50 мВт). В процессе проведения эксперимента использованы He-Ne лазер и DPSS лазер с длиной волны λ = 532 нм. В оптическую схему спектрометра включен микроскоп Olympus BX41 (Olympus, Япония) с объективом 100× (NA 0,9) для позиционирования луча и сбора рассеянных фотонов. Монохроматор спектрометра имеет фокусное расстояние 800 мм, голографическую дифракционную решетку 300 шт/мм и снабжен термоэлектрическим охлаждаемым ПЗС-детектором 1024 × 256 пикселов (Andor Tech., Великобритания).

Практическая значимость

Практическая значимость. В результате работы получены функционализированные наночастицы поверхности — прототипы оптических сенсоров. Показано, что экспериментальный коэффициент усиления сигнала комбинационного рассеяния света может составлять не менее чем 104 раз. Полученные результаты могут служить основой для получения необходимых размеров нанозвезд в методах контролируемого химического синтеза коллоидных наночастиц. Результаты могут быть применены для разработки биосовместимых и высокочувствительных оптических сенсоров на базе эффекта комбинационного рассеяния света.

The article discusses the experimental and theoretical results of studying the optical properties for planar quartz surfaces modified with gold nanostars using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). Surfaces functionalized with nanoparticles, prototypes of optical sensors, have been obtained. It is shown that the obtained experimental Raman signal enhancement from the dye rhodamine 6G (R6G) can be at least order 104. The paper presents the results of calculation, synthesis and study of the optical and morphological properties of such structures. A complex method for creating and evaluating the optical properties of planar nanostructures and evaluating their optical properties is proposed. The method includes the approaches based on mathematical modeling using finite differences in the time domain (FDTD - FiniteDifference Time-Domain) evaluating electromagnetic field strengths near the surfaces of star-shaped gold nanoparticles in colloidal solutions and on a silicon surface. During the simulation, we studied such parameters as the particle size, the wavelength of the exciting radiation, and the dependence of the effective amplification of the electromagnetic field on the morphological parameters of the star. The theoretical approach to the calculation of such structures is shown to be promising for the subsequent chemical synthesis described in the article and the study of optical properties. In this paper, a theoretical calculation of the parameters of the electric field and optical properties is carried out near star-shaped nanoparticles of varying sizes. These parameters were calculated by the finite difference method in the time domain. The task included finding the optimal sizes of nanoparticles as well as varying the thickness of the surface layers in order to obtain the maximum scattering values and further use of similar structures in SERS experiments. Also, within the framework of this work, syntheses of star-shaped nanoparticles was carried out, their optical and morphological properties were studied, quartz surfaces were functionalized with nanoparticles, and sensor prototypes were created in order to further assess the Raman signal amplification. Based on the results of mathematical modeling, the optimal sizes for the synthesis of star-shaped NPs were determined. Synthesis of NPs was carried out by a chemical method using seeds. To carry out the experimental part, SERS spectra were obtained using Centaur U spectrometer (OOO NanoScanTechnology, Russia). The spectrometer was equipped with three different laser sources: 632.8 nm He-Ne laser (17 mW), 532 nm and 473 nm DPSS lasers (45 mW). During the experiment, a He-Ne laser with λ = 632 nm and DPSS laser with λ = 532 nm were used to match the excitation of the plasmon maximum for the nanostars. The optical scheme of the spectrometer included an Olympus BX41 microscope (Olympus, Japan) with a 100× objective (NA 0.9) for positioning the beam and collecting scattered photons. The monochromator of the spectrometer had a focal length of 800 mm. A holographic diffraction grating of 300 gr/mm, and was equipped with a 1024×256 pixel thermoelectric cooled CCD detector (Andor Tech., UK). As a result of the paper, surfaces functionalized by nanoparticles were obtained prototypes of optical sensors. It is shown that the experimental gain of the Raman signal can be no less than 104 times. The presented data will serve as the basis for obtaining the required sizes of nanostars in the methods of the controlled chemical synthesis of colloidal nanoparticles. The results presented in the article can be applied to the development of biocompatible and highly sensitive optical sensors based on the effect of Raman scattering of light.

спектроскопия комбинационного рассеяния светананозвездаплазмоноптический сенсормоделирование оптических свойствRaman spectroscopynanostarplasmonoptical sensormodeling of optical propertiesРабота выполнена в рамках Соглашения с Минобрнауки Российской Федерации № 75-02-2022-872.The study was supported by the Project of the state assign of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation No. 75-02-2022-872.ReferencesIsraël M., Schwartz L. The metabolic advantage of tumor cells // Molecular Cancer. 2011. V. 10. N 1. P. 1–12. https://doi.org/10.1186/1476-4598-10-70Israël M., Schwartz L. The metabolic advantage of tumor cells. Molecular Cancer, 2011, vol. 10, no. 1, pp. 1–12. https://doi.org/10.1186/1476-4598-10-70Pan Y., Neuss S., Leifert A., Fischler M., Wen F., Simon U., Schmid G., Brandau W., Jahnen-Dechent W. Size-dependent cytotoxicity of gold nanoparticles // Small. 2007. V. 3. N 11. P. 1941–1949. https://doi.org/10.1002/smll.200700378Pan Y., Neuss S., Leifert A., Fischler M., Wen F., Simon U., Schmid G., Brandau W., Jahnen-Dechent W. Size-dependent cytotoxicity of gold nanoparticles. Small, 2007, vol. 3, no. 11, pp. 1941–1949. https://doi.org/10.1002/smll.200700378Takeuchi I., Nobata S., Oiri N., Tomoda K., Makino K. Biodistribution and excretion of colloidal gold nanoparticles after intravenous injection: effects of particle size // Bio-Medical Materials and Engineering. 2017. V. 28. N 3. P. 315–323. https://doi.org/10.3233/BME-171677Takeuchi I., Nobata S., Oiri N., Tomoda K., Makino K. Biodistribution and excretion of colloidal gold nanoparticles after intravenous injection: effects of particle size. Bio-Medical Materials and Engineering, 2017, vol. 28, no. 3, pp. 315–323. https://doi.org/10.3233/BME-171677Fleischmann M., Hendra P.J., McQuillan A.J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode // Chemical Physics Letters. 1974. V. 26. N 2. P. 163–166. https://doi.org/10.1016/0009-2614(74)85388-1Fleischmann M., Hendra P.J., McQuillan A.J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode. Chemical Physics Letters, 1974, vol. 26, no. 2, pp. 163–166. https://doi.org/10.1016/0009-2614(74)85388-1Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1966. V. 14. N 3. P. 302–307. https://doi.org/10.1109/TAP.1966.1138693Yee K. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell’s equations in isotropic media. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1966, vol. 14, no. 3, pp. 302–307. https://doi.org/10.1109/TAP.1966.1138693Umashankar K., Taflove A. A novel method to analyze electromagnetic scattering of complex objects // IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 1982. V. EMC-24. N 4. P. 397–405. https://doi.org/10.1109/TEMC.1982.304054Umashankar K., Taflove A. A novel method to analyze electromagnetic scattering of complex objects. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1982, vol. EMC-24, no. 4, pp. 397–405. https://doi.org/10.1109/TEMC.1982.304054Taflove A., Hagness S.C., Piket-May M. Computational electromagnetics: the finite-difference time-domain method // The Electrical Engineering Handbook. Academic Press, 2005. P. 629–670. https://doi.org/10.1016/B978-012170960-0/50046-3Taflove A., Hagness S.C., Piket-May M. Computational electromagnetics: the finite-difference time-domain method. The Electrical Engineering Handbook. Academic Press, 2005, pp. 629–670. https://doi.org/10.1016/B978-012170960-0/50046-3Gedney S.D. Introduction to the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Method for Electromagnetics. Springer Cham, 2011. 250 p. https://doi.org/10.1007/978-3-031-01712-4Gedney S.D. Introduction to the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) Method for Electromagnetics. Springer Cham, 2011, 250 p. https://doi.org/10.1007/978-3-031-01712-4Sikdar D., Rukhlenko I.D., Cheng W., Premaratne M. Optimized gold nanoshell ensembles for biomedical applications // Nanoscale Research Letters. 2013. V. 8. N 1. P. 142. https://doi.org/10.1186/1556-276X-8-142Sikdar D., Rukhlenko I.D., Cheng W., Premaratne M. Optimized gold nanoshell ensembles for biomedical applications. Nanoscale Research Letters, 2013, vol. 8, no. 1, pp. 142. https://doi.org/10.1186/1556-276X-8-142Cheng J., Gu Y.-J., Cheng S.H., Wong W.-T. Surface functionalized gold nanoparticles for drug delivery // Journal of Biomedical Nanotechnology. 2013. V. 9. N 8. P. 1362–1369. https://doi.org/10.1166/jbn.2013.1536Cheng J., Gu Y.-J., Cheng S.H., Wong W.-T. Surface functionalized gold nanoparticles for drug delivery. Journal of Biomedical Nanotechnology, 2013, vol. 9, no. 8, pp. 1362–1369. https://doi.org/10.1166/jbn.2013.1536Mehrdel B., Aziz A.A., Yoon T.L. Resonance position and extinction efficiency of a single silica coated gold nanoshell when size effects of core is matter // AIP Conference Proceedings. 2017. V. 1838. N 1. P. 020012. https://doi.org/10.1063/1.4982184Mehrdel B., Aziz A.A., Yoon T.L. Resonance position and extinction efficiency of a single silica coated gold nanoshell when size effects of core is matter. AIP Conference Proceedings, 2017, vol. 1838, no. 1, pp. 020012. https://doi.org/10.1063/1.4982184Nikoobakht B., El-Sayed M.A. Preparation and growth mechanism of gold nanorods (NRs) using seed-mediated growth method // Chemistry of Materials. 2003. V. 15. N 10. P. 1957–1962. https://doi.org/10.1021/cm020732lNikoobakht B., El-Sayed M.A. Preparation and growth mechanism of gold nanorods (NRs) using seed-mediated growth method. Chemistry of Materials, 2003, vol. 15, no. 10, pp. 1957–1962. https://doi.org/10.1021/cm020732lYee K.S., Chen J.S. The finite-difference time-domain (FDTD) and the finite-volume time-domain (FVTD) methods in solving Maxwell’s equations // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1997. V. 45. N 3. P. 354–363. https://doi.org/10.1109/8.558651Yee K.S., Chen J.S. The finite-difference time-domain (FDTD) and the finite-volume time-domain (FVTD) methods in solving Maxwell’s equations. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1997, vol. 45, no. 3, pp. 354–363. https://doi.org/10.1109/8.558651Liebig F., Henning R., Sarhan R.M., Prietzel C., Schmitt C.N.Z., Bargheerb M., Koetz J. A simple one-step procedure to synthesise gold nanostars in concentrated aqueous surfactant solutions // RSC Advances. 2019. V. 9. N 41. P. 23633–23641. https://doi.org/10.1039/C9RA02384DLiebig F., Henning R., Sarhan R.M., Prietzel C., Schmitt C.N.Z., Bargheerb M., Koetz J. A simple one-step procedure to synthesise gold nanostars in concentrated aqueous surfactant solutions. RSC Advances, 2019, vol. 9, no. 41, pp. 23633–23641. https://doi.org/10.1039/C9RA02384DPolte J., Ahner T.T., Delissen F., Sokolov S., Emmerling F., Thünemann A.F., Kraehnert R. Mechanism of gold nanoparticle formation in the classical citrate synthesis method derived from coupled in situ XANES and SAXS evaluation // Journal of the American Chemical Society. 2010. V. 132. N 4. P. 1296–1301. https://doi.org/10.1021/ja906506jPolte J., Ahner T.T., Delissen F., Sokolov S., Emmerling F., Thünemann A.F., Kraehnert R. Mechanism of gold nanoparticle formation in the classical citrate synthesis method derived from coupled in situ XANES and SAXS evaluation. Journal of the American Chemical Society, 2010, vol. 132, no. 4, pp. 1296–1301. https://doi.org/10.1021/ja906506j

The authors declare that there are no conflicts of interest present.