| следующая статья ==>
Эффект плазмонного резонанса.
Плазмо́н — квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа.
Магический блеск золота (как, впрочем, и других металлов) обусловлен отражением света от поверхностных плазмонов — квазичастиц, возникающих за счёт квантования коллективных колебаний свободных электронов в металле.
Наночастицы золота (резонаторы) имеют частоту плазмонного резонанса, сравнимую с пиком оптической плотности многих металлопротеинов.
Плазмоны играет большую роль в оптических свойствах металлов. Свет с частотой ниже плазменной частоты отражается, потому что электроны в металле экранируют электрическое поле в световой электромагнитной волне. Свет с частотой выше плазменной частоты проходит, потому что электроны не могут достаточно быстро ответить, чтобы экранировать его.
В большинстве металлов плазменная частота находится в ультрафиолетовой области спектра, делая их блестящими в видимом диапазоне. В легированных полупроводниках плазменная частота находится обычно в ультрафиолетовой области.
Энергию плазмона можно оценить в модели почти свободных электронов как:
, (12. 1)
где n - плотность валентных электронов, e — элементарный заряд, m — масса электрона и — диэлектрическая проницаемость вакуума.
Поверхностные плазмоны сильно взаимодействуют со светом, приводя к образованию поляритонов. Они играют роль в поверхностном усилении рамановского рассеяния света и в объяснении аномалий в дифракции металлов. Поверхностный плазмонный резонанс используется в биохимии, чтобы определять присутствие молекул на поверхности.
Плазмоны рассматриваются как средство передачи информации в компьютерных чипах, так как провода для плазмонов могут быть намного тоньше, чем обычные провода, и могут поддерживать намного более высокие частоты (в режиме 100 TГц, в то время как обычные провода обладают большими потерями уже при 10 ГГц).
Они были также предложены как средство для литографии и микроскопии высокого разрешения из-за их чрезвычайно маленьких длин волны. Оба из этих применений с успехом были продемонстрированы в лабораториях.
Поверхностный плазмонный резонанс возникает на поверхности металла при условии полного внутреннего отражения и характеризуется специфическим углом отражения и, следовательно, показателем преломления.
Этот эффект, возникая на поверхности металлической пленки, распространяется вглубь раствора, затухая экспоненциально, в функции расстояния. Взаимодействия между молекулами изменяют затухающую волну, что приводит к изменению характеристик поверхностного плазмона, которые выражаются в изменении резонансного угла и показателя преломления в поверхностном слое. По изменению показателя преломления судят о взаимодействии света с биомолекулами.
Рис. 12.5 Явление поверхностного плазмонного резонанса.
Оптическая спектрометрия позволяет изучать белки, обладающие оптической плотностью в видимом диапазоне электромагнитного излучения (хромопротеины) с помощью измерения поглощения света на определённых («характеристических» для конкретных молекул) длинах волн. Однако для таких измерений требуются довольно высокие концентрации белкá, да и пространственное разрешение этого метода весьма низкое (обычно изучают растворы молекул, находящиеся в спектрометрических кюветах, и речи о том, где именно в клетке расположены изучаемые молекулы, просто не идёт).
Гораздо большей чувствительностью обладают методы, основанные на измерении флуоресценции (вместе с конфокальной микроскопией они позволяют определять месторасположение молекул внутри живой клетки), но тут необходимо модифицировать изучаемые молекулы специальными молекулами-метками, что не всегда желательно и возможно.
Другой часто используемый в биологии метод — спектроскопия ядерного магнитного резонанса — также требует довольно больших концентраций белка и часто — изотопного мечения объекта, сложного в условиях живых систем.
Предлагаемая методика основана на введении в живые клетки наноскопических частиц золота контролируемого размера (20–30 нм). Электроны на поверхности частиц из таких металлов как золото или серебро коллективно осциллируют в ответ на облучение светом определённой длины волны — это явление известно как плазмонный резонанс. Резонансные частоты этих наночастиц зарегистрировать намного легче, чем слабый (из-за очень низких концентраций) оптический сигнал от биологических молекул, что и позволяет проводить измерения.
Измерения основаны на явлении, называемом миграцией энергии плазмонного резонанса (МЭПР), которое заключается в том, что молекулы белка, адсорбирующиеся на поверхности золотых частиц, как бы «оттягивают» на себя часть энергии плазмонного резонанса, что достаточно легко зарегистрировать по специфическим «провалам» в спектрах рассеяния, «снимаемых» с этих частиц.
Главным условием этого эффекта является перекрывание частоты плазмонного резонанса и частот оптического поглощения белка, — требование, аналогичное тому, которое накладывается и в более широко известном методе резонансного переноса энергии флуоресценции. Именно этим условием и определяется то, что частицы состоят из золота, и их размер (частицы этого размера имеют пик плазмонного резонанса в области 530–580 нм, перекрывая диапазон поглощения цитохрома (с), который был выбран для исследования. Предполагается, что механизм миграции энергии аналогичен миграции энергии при флуоресценции (так называемое Фёрстеровское диполь-дипольное взаимодействие).
В установке, приведенной на рисунке 12.5, наночастицы золота освещаются под определённым углом через фазово-контрастный конденсор. Изучаемым параметром является светорассеяние (на величину которого как раз и влияет плазмонный резонанс), регистрируемое цветной камерой и анализируемое с помощью спектрофотометра.
«Тушение» плазмонно-резонансного спектра, обусловленное миграцией энергии на адсорбирующиеся на поверхности наночастиц биомолекулы, проявляется в виде специфических «провалов» на спектрах рассеяния в диапазонах длин волн, совпадающих с пиками оптического поглощения молекул белка (рис. 12.6г). Для эффективного переноса энергии необходимо, чтобы спектры рассеяния и поглощения перекрывались. Поскольку такая резонансная миграция является прямым переносом, и, следовательно, происходит быстрее и эффективнее, чем оптическое поглощение, спектры МЭПР могут быть зарегистрированы обыкновенной оптической системой, что было бы невозможно при использовании «обычной» оптической спектроскопии.
Рис. 12.6 Явление «тушения» плазмонного резонанса вследствие миграции энергии на биомолекулы.
А. Схема установки.
Б. Типичный спектр рэлеевского (упругого) рассеяния наночастиц золота. Для частиц размером 30 нм характерен пик на 530–580 нм.
В. Типичный спектр оптического поглощения белка (цитохрома c). Характерные пики — 530 нм для окисленной формы (Fe III) и 525 нм и 550 нм для восстановленной (Fe II).
Г. «Провалы» на спектре плазмонного резонанса (рассеяния), вызванные миграцией энергии на биомолекулу в диапазонах длин волн, соответствующих пикам оптического поглощения белкá.
Для исследований не обязательно брать именно золото: аналогичные эксперименты были проведены и на серебряных наночастицах, взаимодействующих с гемоглобином (частота плазмонного резонанса серебряных частиц и полоса Соре гемоглобина (~407 нм) находятся в одной спектральной области). Если же использовать другие металлы, то можно изучать аналогичный эффект в ультрафиолетовой или ближней инфракрасной областях спектра — например, чтобы идентифицировать взаимодействие с нуклеиновыми кислотами или большинством белков, не поглощающих свет в видимой области.
Исследователи считают, что наиболее перспективная область использования нового метода (учитывая его беспрецедентную чувствительность и возможность применения в живой клетке) — это генетический анализ молекул РНК и продуктов экспрессии генов, редко включающихся в «нормальных» условиях и про работу которых почти ничего не известно. Кроме того, можно будет определять белки-спутники различных форм рака, токсины и вирусные частицы.
| следующая статья ==>