Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила

Усиление наноструктурированной металлической поверхностью инфракрасного поглощения (SEIRA) адсорбированных биологических молекул является одним из основных направлений увеличения чувствительности современных оптических биосенсоров. Исследованы ИК фурье-спектры поглощения тонких пленок молекул азот...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Физика низких температур
Дата:	2016
Автори:	Иванов, А.Ю., Степаньян, С.Г., Адамович, Л., Карачевцев, В.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2016
Теми:	Пористые и низкоразмерные структуры
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128461
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила / А.Ю. Иванов, С.Г. Степаньян, Л. Адамович, В.А. Карачевцев // Физика низких температур. — 2016. — Т. 42, № 2. — С. 142–148. — Бібліогр.: 30 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1859705454065614848
author	Иванов, А.Ю. Степаньян, С.Г. Адамович, Л. Карачевцев, В.А.
author_facet	Иванов, А.Ю. Степаньян, С.Г. Адамович, Л. Карачевцев, В.А.
citation_txt	Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила / А.Ю. Иванов, С.Г. Степаньян, Л. Адамович, В.А. Карачевцев // Физика низких температур. — 2016. — Т. 42, № 2. — С. 142–148. — Бібліогр.: 30 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Физика низких температур
description	Усиление наноструктурированной металлической поверхностью инфракрасного поглощения (SEIRA) адсорбированных биологических молекул является одним из основных направлений увеличения чувствительности современных оптических биосенсоров. Исследованы ИК фурье-спектры поглощения тонких пленок молекул азотистого основания РНК урацила, осажденных на низкотемпературные подложки (T = 6 К) с наноструктурами серебра, в спектральном диапазоне 2700–600 см⁻¹ . Показано, что интенсивность полос поглощения валентных колебаний νCO (диапазон 1800–1600 см⁻¹ ) тонкослойных пленок урацила возрастает в 3–4 раза. Для многослойных пленок влияние наноструктур на колебательные спектры ослабевает, и для слоев пленки, удаленных от поверхности более чем на 15 нм, усиление практически отсутствует. Проведены расчеты энергий колебательных спектров комплексов мономеров и димеров Ur с 20-атомными тетраэдрическими нанокластерами серебра квантово-механическим методом DFT/B3LYP. Наиболее стабильными являются комплексы с координационной связью между вершиной тетраэдра серебра и кислородом карбонильной группы C4O. Установлено, что при образовании таких комплексов существенно (3–5 раз) усиливается интенсивность валентного колебания νC4O урацила, в то время как интенсивности деформационных колебаний βNH, βCH и кольца существенно не возрастают. Підсилення наноструктурованою металевою поверхнею інфрачервоного поглинання (SEIRA) адсорбованих біологічних молекул є одним з основних напрямків збільшення чутливості сучасних оптичних біосенсорів. Досліджено ІЧ фур’є-спектри поглинання тонких плівок молекул основи РНК урацилу), осаджених на низькотемпературні підкладки (T = 6 К) з наноструктурами срібла, в спектральному діапазоні 2700–600 см⁻¹ . Показано, що інтенсивність смуг поглинання валентних коливань νCO (діапазон 1800–1600 см⁻¹ ) тонкошарових плівок урацила зростає в 3–4 рази. Для багатошарових плівок вплив наноструктур на коливальні спектри слабшає, і для шарів плівки, віддалених від поверхні більш ніж на 15 нм посилення практично відсутнє. Проведено розрахунки енергій і коливальних спектрів комплексів мономерів і димерів урацилу з 20-атомними тетраедричними нанокластерами срібла квантово-механічним методом DFT/B3LYP. Найбільш стабільними є комплекси з координаційним зв’язком між вершиною тетраедра срібла і киснем карбонільної групи C4O. Встановлено, що при утворенні таких комплексів істотно (у 3–5 разів) посилюється інтенсивність валентного коливання νC4O урацила, в той час як інтенсивності деформаційних коливань βNH, βCH і кільця суттєво не зростають. Enhancement of infrared absorption (SEIRA) of biological molecules by a nanostructured metal surface is one of the main directions of increasing the sensitivity of modern optical biosensors. The FTIR absorption spectra of thin films of uracil (a RNA base) deposited on low-temperature substrate (T = 6 K) with nanoscale silver structures were investigated in the spectral range 2700–600 cm⁻¹ . It was shown that the intensity of the absorption bands of stretching vibrations νCO (range 1800–1600 cm⁻¹ ) of uracil thin films (Ur) increases by a factor 3–4. For multilayer films the influence of nanostructures on the vibrational spectra is weakening and for the layers of the film that are spaced from the surface more than 15 nm the gain is absent practically. The energies and the vibrational spectra of complexes uracil monomers and dimers with 20 tetrahedral atomic nanoclusters of silver were calculated by the quantum-mechanical method DFT/B3LYP. The most stable complexes have the coordination bond between the top of the tetrahedron of silver and oxygen of the carbonyl group C4O. It was found that the formation of such complexes significantly (3–5 times) amplifies the intensity of the stretching vibration νC4O of uracil, while the intensity of the deformation vibrations βNH, βCH, and the rings are not experiencing significant growth.
first_indexed	2025-12-01T02:13:25Z
format	Article
fulltext	Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения 1. Введение Разработка сверхчувствительных биосенсоров на ос- нове взаимодействия искусственных наноструктур с биологическими молекулами является одним из при- оритетных направлений развития современных нано- биотехнологий. Значительные усилия направлены на исследования эффектов усиления металлической по- верхностью комбинационного рассеяния (surface en- hanced Raman scattering — SERS) и инфракрасного по- глощения адсорбированных молекул (surface enhanced infrared absorption — SEIRA) [1–4]. Оба эффекта можно интерпретировать с помощью электромагнитного и молекулярного механизмов усиле- ния. Электромагнитный механизм усиления обусловлен локальным усилением электромагнитного поля вблизи структурных неоднородностей металла благодаря вза- имодействию с поверхностными плазмонами. Молеку- лярный или химический механизм усиления связан с изменением дипольных моментов отдельных колеба- тельных переходов при образовании координационных связей в первом слое адсорбированных молекул. Как и SERS [5–7], эффект SEIRA впервые был получен на поверхностях со стохастическими структурными неод- нородностями [8]. На различных поверхностях усиление интенсивности спектральных полос методом SEIRA варьировалось на уровне 20–500 раз [8,9]. Развитие ме- тода электронно-лучевой литографии позволило полу- чать усиливающие поверхности с наноструктурами за- данного размера [10]. Были рассчитаны спектральные и усилительные свойства поверхностей с нанострукту- рами в форме вибратора наноантенны [11]. Эксперимен- ты показали, что наноантенна или упорядоченные мас- сивы наноантенн позволяют достичь усиления 104–105 для спектральных полос инфракрасного диапазона с частотами, близкими к частоте плазмонного резонанса наноантенны [11–14]. Такое усиление обеспечивает чув- ствительность аттоммольного (10–18 моль) диапазона в инфракрасной области спектра [11]. Однако формиро- вание массива наноантенн возможно только с помо- щью современной электронно-лучевой литографии, а теплофизические и механические свойства специаль- ных подложек могут затруднить их использование при низких температурах. В литературе отсутствуют дан- ные об исследовании методом SEIRA биомолекул при низких температурах. Целью данных исследований была оценка усили- тельных возможностей низкотемпературного медного зеркала с наноструктурным серебряным покрытием и перспективы его использования для изучения молекул, изолированных в низкотемпературных матрицах суб- микронной толщины. Для регистрации эффекта SEIRA при температурах ниже 10 К были выбраны полосы поглощения инфракрасных спектров тонких пленок урацила (Ur). Эта молекула обладает невысокой тем- пературой испарения и интенсивными полосами по- глощения валентных колебаний CO групп [16,17]. 2. Экспериментальные и расчетные методы Низкотемпературный эксперимент был выполнен с помощью установки для ИК фурье-спектроскопии матричной изоляции, описанной ранее [17–20]. ИК фурье-спектры урацила были получены в диапазоне 2700–600 cм–1 с аподизированным разрешением 2,5 cм–1. При анализе спектров использовались эксперименталь- ные данные о ИК фурье-спектрах изолированных мо- лекул Ur, полученные нами ранее для Ar матриц [17]. Низкотемпературные кварцевые микровесы [20] позво- лили измерять молекулярные потоки урацила (Sigma- Aldrich, USA) в диапазоне 10–20 нг/(c·см2). Для удале- ния сорбированной воды порошок Ur отжигался в ва- кууме при температуре около 350 К. Испарение урацила из ячейки Кнудсена проходило при температуре 390 К. В отличие от известной методики [15], серебро нано- силось электрохимическим способом [21] не на слой золота, а на механически полированное медное зеркало диаметром 2 см. Микрофотографии поверхности зер- кал были получены с помощью сканирующего элек- тронного микроскопа JSM-820 (JEOL, Japan). В течение одного эксперимента проводилось последовательное напыление молекул урацила на полированное медное зеркало и на медное зеркало с серебряным покрытием. Зеркала и микровесы находились в вакууме 3·10–7 Торр при температуре 6 К. Были получены тонкие пленки Ur (10–50 нм) для исследования эффекта SEIRA, а также пленка толщиной около 200 нм для сравнения со спек- трами поглощения молекул Ur, изолированных в мат- рицах Ar. Для квантово-химических расчетов была использо- вана программа Gaussian 09 [22]. Оптимизация молекулярных структур и расчет коле- бательных спектров выполнялись методом теории функ- ционала плотности DFT/B3LYP с базисным набором BS1: расширенный базис 6–311++G(df,pd) для урацила и базис с эффективным потенциалом остова Stuttgart RSC 1997 ECP для кластеров серебра. Стандартная для комплексов процедура BSSE (Basis set superposition error) коррекции энергий комплекса не проводилась, поскольку между компонентами комплекса образуется координационная связь длиной 2,4 Ǻ. Сравнение экс- периментальных и расчетных спектров поглощения про- водилось с помощью программы SYNSPEC [23]. 3. Результаты и обсуждение Для изучения влияния поверхности зеркала на спектр была выбрана область наиболее интенсивных колебаний Ur 1800–1200 см–1 (рис. 1). Сравнение спек- тров поглощения, полученных для молекул Ur, изоли- рованных в матрице Ar, и спектров аморфной низко- Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2016, т. 42, № 2 143 А.Ю. Иванов, С.Г. Степаньян, Л. Адамович, В.А. Карачевцев температурной пленки этого соединения позволяет вы- делить валентные колебания νCO, а также валентные колебания кольца (ν ring) и деформационные колеба- ния βNH, βCH (рис. 1). С помощью кварцевых микро- весов был определен удельный вес образцов Ur на уровне 34·10–6 г/см2, что соответствует 18,3·1016 моле- кул/см2. При такой плотности молекул Ur пленка со- стоит примерно из 500–700 слоев. Для расстояния ме- жду плоскими кольцами молекул Ur в 3,4 Å [24] это соответствует толщине пленки 170–230 нм. Необходи- мо отметить, что эти оценки толщины пленки доста- точно приблизительны, они сделаны в предположении о преимущественной ориентации плоскости пиримиди- нового кольца молекулы Ur параллельно поверхности. Для теплых пленок Ur такое положение молекул было обнаружено экспериментально [25]. Однако осаждение молекул на зеркало температурой 6 К приводит к аморф- ной дефектной структуре пленки с неупорядоченным расположением молекул и структурой межмолекуляр- ных водородных связей. Вследствие аморфности плен- ки полосы поглощения уширяются. В результате пико- вая интенсивность всех полос поглощения в аморфной пленке значительно падает по сравнению со спектром изолированных молекул (рис. 1). Но для колебаний νCO пиковая интенсивность остается достаточно вы- сокой. Это дает возможность зарегистрировать полосы поглощения на фоне шумов в пленках урацила значи- тельно меньшей толщины (10–20 нм). Структурирование поверхности серебра может быть выполнено различными методами. Например, для SERS нанокластеры размером 50–100 нм на поверхности монокристалла серебра создавались фотохимическим способом с помощью паров йода [26]. Нанокластеры серебра размером 100–300 нм были получены электро- химическим осаждением слоя серебра толщиной 40 нм на напыленный слой золота толщиной 100 нм [15]. В нашем эксперименте после электрохимического осаж- дения серебра на относительно гладкой поверхности медного зеркала (рис. 2(а)) на поверхности присутст- вует много наноструктур значительно большего разме- ра: 200–1000 нм (рис. 2(б)). В экспериментальном спектре пленки Ur с толщи- ной около 11 нм (31 слой) на медном зеркале можно надежно идентифицировать полосы νCO и βCH коле- баний (рис. 3(а)). Для пленки с таким же количество молекул Ur на наноструктурированной поверхности серебра мы видим усиление интегральной интенсивно- сти полос поглощения колебаний νCO в 3,5 раза и примерно в 4 раза для плоскостных деформационных колебаний βCH (рис. 3(а)). Отметим, что полосы по- глощения, соответствующие колебаниям βNH, вообще не регистрировались в спектре на фоне шумов (рис. 3). В других экспериментах с электрохимическим нано- структурированием поверхности серебра [15] был про- Рис. 1. (Онлайн в цвете) Структура молекулы урацила и ИК фурье-спектры поглощения в области валентных колебаний νCO, валентных колебаний кольца и деформационных коле- баний: 1 — молекулы Ur, изолированные в Ar матрице (Т = = 10 К, концентрация 1:1000). 2 — аморфная пленка Ur при Т = 6 К. Спектры приведены к равному удельному количест- ву молекул Ur около 34·10–6 г/см2 (±10%), что соответствует 18,3·1016 молекул/см2. 1 3 6 2 5 4 Рис. 2. Топография поверхности, полученная сканирующим электронным микроскопом JEOL: полированное медное зер- кало (а); медное зеркало после электрохимического серебре- ния (б). Линейный масштаб указан на рисунках горизонталь- ной белой чертой. 1 2 (а) (б) 144 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2016, т. 42, № 2 Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения демонстрирован рост интенсивности в 3–10 раз для пленок подобной толщины. При увеличении толщины пленки Ur до 50 нм (150 слоев) интенсивность полос поглощения колебаний νCO на серебряном зеркале только в 1,65 раза больше, чем на медном зеркале (рис. 3(б)). Знание коэффициентов усиления и толщи- ны пленок позволяет определить средний коэффициент усиления Kx для фрагмента толстой пленки на участке 12–60 нм по формуле 0 1 1 1x K K K K n − = −  −  , (1) где K0, K1 — экспериментально полученные коэффи- циенты усиления для тонкой и толстой пленки, а n — отношение их толщин. Для значений K0 = 3,5, K1 = 1,65, полученных в ре- зультате измерения интенсивностей полос, которые со- ответствуют νCO колебаниям и n = 5, из уравнения (1) получаем величину Kx = 1,12. Интенсивность полос поглощения, соответствующих деформационным коле- баниям βCH и βNH, незначительна (даже для толстой пленки) (рис. 3(б)), поэтому они не рассматривались при оценке коэффициента усиления. Отметим, что используемая в эксперименте нано- структурированная поверхность не является оптималь- ной для получения большого усиления спектральных полос в ИК диапазоне. Известно, что наибольшее уси- ление в методе SEIRA получают для островковых пле- нок металла толщиной 5–10 нм, напыленных на диэлек- трическую подложку [27]. В таких пленках отдельные островки сливаются в относительно протяженные на- ноструктуры, находящиеся на грани перколяции [27]. При этом форма полосы поглощения становится асим- метричной, типичной для резонанса Фано [27]. У боль- шинства крупных кластеров, исследуемых нами, пер- коляция практически отсутствует (рис. 2(б)). Однако можно предположить, что часть полученных нами кла- стеров имеет большие радиусы локальной кривизны. Приближенная оценка затухания усиления на расстоя- нии d от кластера радиусом R в рамках сферической модели описывается как: (R/(R + d))12 для SERS [2] или (R/(R + d))6 для SEIRA [28]. Эксперименты также пока- зывают, что усиление в методе SERS затухает значи- тельно быстрее, чем в методе SEIRA [29]. Ранее экспе- риментально было установлено, что для островковой серебряной пленки усиление в методе SEIRA умень- шается примерно в 5 раз на расстоянии 15 нм [30]. Этот результат хорошо согласуется с нашим экспери- ментом. Известно, что взаимодействие между молекулой и наночастицей металла уже в первом адсорбированном слое может вызывать значительные изменения интен- сивности отдельных колебаний [2]. Поэтому для тес- тирования химического механизма усиления нами бы- ли проведены квантово-химические расчеты энергий взаимодействия между нанокластерами серебра (Ag20) и мономерами Ur (U1_20Ag) и димерами Ur (U2_20Ag), а также рассчитаны их колебательные спектры. С та- ким количеством атомов кластеры серебра представ- ляют собой устойчивую пирамидальную нанострукту- ру с симметрией Td. Методом DFT/B3LYP/BS1 были получены общие энергии, энергии взаимодействия и от- носительные энергии для четырех комплексов U1_20Ag и пяти комплексов U2_20Ag (табл. 1). Наиболее энер- гетически стабильные комплексы U1_20Ag характеризу- ются координационной связью между C4O (U1_20Ag_0), C2O (U1_20Ag_1) и атомом серебра на вершине пира- мидального кластера (рис. 4). У наиболее энергетически стабильных комплексов димеров U2_20Ag (U2_20Ag_0, U2_20Ag_1) только C4O связывается с вершиной пи- рамиды (рис. 4). Расчеты колебательных спектров по- казывают, что образование таких комплексов приводит к росту интенсивности отдельных колебаний (рис. 5). Интенсивность валентного колебания карбонильной Рис. 3. (Онлайн в цвете) ИК фурье-спектры поглощения низ- котемпературных (Т = 6 К) пленок молекул Ur в области ва- лентных колебаний νCO и колебаний кольца. Пленка Ur плот- ностью 1,7·10–6 г/см2, что соответствует 31 слою или толщине 11 нм (а). Пленка Ur плотностью 8,5·10–6 г/см2, что соответ- ствует 150 слоям или толщине 50 нм (б). 1 — пленки на мед- ном зеркале, 2 — пленки на наноструктурированной поверх- ности серебра. Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2016, т. 42, № 2 145 А.Ю. Иванов, С.Г. Степаньян, Л. Адамович, В.А. Карачевцев группы C4O комплекса U1_20Ag_0 (табл. 1), участву- ющей в образовании координационной связи (рис. 5(а)), возрастает в три раза. В эксперименте интенсивность полосы νC2O увеличивается только в два раза (рис. 3(а)). Также в два раза растет интенсивность деформаци- онных колебаний βN1H, βC6H (рис. 5(а)). Комплекс U2_20Ag_0 демонстрирует пятикратный рост интен- сивности νC4O (рис. 5(б)). Образование координаци- онной связи практически не оказывает влияния на ин- тенсивность деформационных колебаний βNH, βCH в димере Ur (рис. 5(б)). Такие проявления химического механизма усиления интенсивности полос νC2O нужно учитывать при исследовании ИК поглощения моносло- ев Ur. Однако для многослойных пленок Ur (число сло- ев больше 30), рассматриваемых в данной работе, эф- фект от химического усиления не будет превышать 10%. Величина Kx = 1,12, полученная для фрагмента плен- ки толщиной 50 нм из уравнения (1), показывает, что у наноструктурной серебряной поверхности, используе- мой в эксперименте, практическое дальнодействие элек- тромагнитного усиления не превышает 10–30 нм. Эти оценки согласуются с экспериментальными данными для Ag поверхностей, полученных как напылением [6,30], так и электрохимическим осаждением [15]. Не- смотря на быстрое затухание усиления при удалении от наноструктурированной поверхности, метод SEIRA Рис. 5. (Онлайн в цвете) Колебательные спектры комплексов мономеров и димеров Ur с кластерами Ag, рассчитанные методом DFT/B3LYP/BS1. Спектр мономера Ur (1, сплошная линия), спектр комплекса U1_20Ag_0 (2, пунктирная линия) (а). Спектр димера Ur (1, сплошная линия), спектр комплекса U2_20Ag_0 (2, пунктирная линия) (б). Таблица 1. Общие энергии (Etot, атомных ед.), энергии взаимодействия между нанокластерами серебра (Ag20) и мономерами или димерами урацила (IE, кДж/моль) и относи- тельные стабильности комплексов (Erel , кДж/моль), рассчи- танные методом DFT/B3LYP/BS1. Комплекс Etot IE Erel Ag20–урацил-мономер U1_20Ag_1 –3355,931126 –23,8 5,8 U1_20Ag_0 –3355,933343 –29,6 0,0 U1_20Ag_2 –3355,927935 –15,4 14,2 U1_20Ag_3 –3355,926011 –10,3 19,3 Ag20–урацил-димер U2_20Ag_2 –3770,914997 –34,7 12,6 U2_20Ag_1 –3770,917868 –32,1 5,1 U2_20Ag_3 –3770,914018 –34,0 15,2 U2_20Ag_4 –3770,912573 –28,4 19,0 U2_20Ag_0 –3770,919814 –32,5 0,0 U1_20Ag_0 U1_20Ag_1 U2_20Ag_0 U2_20Ag_1 Рис. 4. (Онлайн в цвете) Энергетически наиболее выгодные структуры мономеров и димеров Ur с 20-атомными тетраэд- рическими кластерами серебра (см. табл. 1). 146 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2016, т. 42, № 2 Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения может быть использован в спектроскопии матричной изоляции для изучения небольших молекул с плоской структурой. Молекулы, которые подобно урацилу, могут встраиваться между плоскостями решетки инертной матрицы, характеризуются узкими полосами поглоще- ния в инфракрасных матричных спектрах. В матрич- ных спектрах поглощения таких молекул, по сравнению со спектрами поглощения пленок, резко возрастают пиковые интенсивности спектральных полос (рис. 1). Это дополнительно улучшает отношение сигнал/шум в экспериментальных спектрах и дает перспективу изу- чения тонких матриц методом SEIRA даже для про- стых оптических схем с однократным отражением. Однако у структурно нежестких молекул, таких как нуклеозиды, полосы поглощения в матричных спек- трах значительно шире [18]. Поэтому для исследова- ния таких молекул методом SEIRA в тонких матрицах актуальны оптические схемы с многократным отраже- нием [15] или применением массивов наноантенн. 4. Выводы Исследования показали, что наноструктурированная поверхность серебра, полученная с помощью простой технологии электрохимического осаждения серебра на медное зеркало, может в 3–4 раза усиливать инфра- красное поглощение адсорбированных молекул. Эффект усиления интенсивности наноструктуриро- ванной поверхностью зеркала затухает с ростом тол- щины адсорбированной пленки, но заметен даже для пленок толщиной 10–30 нм. Проведенные исследова- ния показывают возможность исследований инфра- красных колебательных спектров поглощения моле- кул, изолированных в низкотемпературных матрицах инертных газов малой толщины. Квантово-механические расчеты показали, что ко- ординационная связь между урацилом и нанокласте- рами Ag увеличивает в 3–5 раз интенсивность валент- ных колебаний νCO и колебаний кольца в первом адсорбированном слое молекул урацила. Однако в мно- гослойных пленках основной вклад в усиление интен- сивности этих колебаний обусловлен электромагнит- ным механизмом. Работа выполнена при финансовой поддержке Нацио- нальной академии наук Украины (грант №0114U001070 и частично грант №15/15H), а также Государственного фонда фундаментальных исследований Украины (грант № 54.1/044). Авторы благодарят П. Матейченко за мор- фологические измерения наноструктурированной се- ребряной поверхности, а также А.М. Плохотниченко и Ю.В. Рубина за полезную дискуссию. 1. Surface Enhanced Raman Scattering, R.K. Chang and T.E. Furtak (eds.), Plenum Press, New York (1982). 2. R. Aroca, Surface-Enhanced Vibrational Spectroscopy, Wiley, New York (2006). 3. Surface-Enhanced Raman Scattering: Physics and Appli- cations, K. Kneipp, M. Moskovits, and H. Kneipp (eds.), Topics in Appl. Phys., Springer-Verlag, Berlin (2006), Vol. 103. 4. S. Schlucker, Angew. Chem. Int. Ed. 53, 4756 (2014). 5. M. Fleischmann, P.J. Hendra, and A.J. McQuillan, Chem. Phys. Lett. 26, 163 (1974). 6. D.L. Jeanmaire and R.P. Van Duyne, J. Electroanal. Chem. 84, 1 (1977). 7. M.G. Albrecht and J.A. Creighton, J. Am. Chem. Soc. 99, 5215 (1977). 8. A. Hartstein, J.R. Kirtley, and J.C. Tsang, Phys. Rev. Lett. 45, 201 (1980). 9. M. Osawa and M. Ikeda, J. Phys. Chem. 95, 9914 (1991). 10. T.R. Jensen, R.P. Van Duyne, S.A. Johnson, and V.A. Maroni, Appl. Spectroscopy 54, 371 (2000). 11. F. Neubrech, A. Pucci, T.W. Cornelius, S. Karim A. García- Etxarri, and J. Aizpurua, Phys. Rev. Lett. 101, 157403 (2008). 12. A. Pucci, F. Neubrech, D. Weber, S. Hong, T. Toury, and M.L. de la Chapelle, Phys. Status Solidi B 247, 2071 (2010). 13. R. Adato, A.A. Yanik, J.J. Amsden, D.L. Kaplan, F.G. Omenetto, Mi K. Hong, S. Erramilli, and H. Altug, PNAS 106, 46 (2009). 14. R. Adato, A.A. Yanik, C.-H. Wu, G. Shvets, and H. Altug, Opt. Express 18, 4526 (2010). 15. H.D. Wanzenböck, B. Mizaikoff, N. Weissenbacher,·and R. Kellner Fresenius, J. Anal. Chem. 362, 15 (1998). 16. A. Les, L. Adamowicz, M.J. Nowak, and L. Lapinski, Spectrochimica Acta A 48, 1385 (1991). 17. A.Yu. Ivanov, A.M. Plokhotnichenko, E.D. Radchenko, G.G. Sheina, and Yu.P. Blagoi, J. Mol. Struct. 372, 91 (1995). 18. A.Yu. Ivanov, S.A. Krasnokutski, G.G. Sheina, and Yu.P. Blagoi, Spectrochimica Acta A 59, 1959 (2003). 19. A.Yu. Ivanov and V.A. Karachevtsev, Fiz. Nizk. Temp. 33, 772 (2007)] [Low Temp. Phys. 33, 590 (2007)]. 20. A.Yu. Ivanov and A.M. Plokhotnichenko, Instr. Experim. Techn. 52, 308 (2009). 21. Справочник по электрохимии, А.М. Сухотина (ред.), Хи- мия, Ленинград (1981). 22. Gaussian 09, Revision A.02, M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G.A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H.P. Hratchian, A.F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J.L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, T. Vreven, J.A. Montgomery, Jr., J.E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J.J. Heyd, E. Brothers, K.N. Kudin, V.N. Staroverov, R. Kobayashi, J. Normand, K. Raghavachari, A. Rendell, J.C. Burant, S.S. Iyengar, J. Tomasi, M. Cossi, N. Rega, J.M. Millam, M. Klene, J.E. Knox, J.B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R.E. Stratmann, O. Yazyev, A.J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J.W. Ochterski, R.L. Martin, K. Morokuma, V.G. Zakrzewski, G.A. Voth, P. Salvador, J.J. Dannenberg, S. Dapprich, A.D. Daniels, Ö. Farkas, J.B. Foresman, J.V. Ortiz, J. Cioslowski, and D.J. Fox, Gaussian, Inc., Wallingford CT (2009). Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2016, т. 42, № 2 147 А.Ю. Иванов, С.Г. Степаньян, Л. Адамович, В.А. Карачевцев 23. K. Irikura, Program SYNSPEC, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899, USA (1995). 24. W. Saenger, Principles of Nucleic Acids Structure, Springer- Verlag, New York (1984). 25. O. Plekan, V. Feyer, A. Cassidy, V. Lyamayev, N. Tsud, S. Ptasinska, S. Reiff, R.G. Acres, and K.C. Prince, Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 15181 (2015). 26. Surface Enhanced Raman Scattering, R.K. Chang and T.E. Furtak (eds.), Plenum Press, New York (1982), p. 201. 27. H. Nakashima, K. Kita, and Y. Suzuki, Adv. Appl. Phys. 2, 27 (2014). 28. Near-Field Optics and Surface Plasmon Polaritons, Topics Appl. Phys., M. Osawa and S. Kawata (eds.), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 81, p. 163 (2001). 29. R. Aroca and R. Bujalski, Vibrational Spectroscopy 19, 11 (1999). 30. E. Johnson and R. Aroca, J. Phys. Chem. 99, 9325 (1995). Enhancement of infrared absorption of the low-temperature uracil thin films by nanostructured silver surface A.Yu. Ivanov, S.G. Stepanian, L. Adamowicz, and V.A. Karachevtsev Enhancement of infrared absorption (SEIRA) of biological molecules by a nanostructured metal sur- face is one of the main directions of increasing the sensitivity of modern optical biosensors. The FTIR absorption spectra of thin films of uracil (a RNA base) deposited on low-temperature substrate (T = 6 K) with nanoscale silver structures were investigated in the spectral range 2700–600 cm–1. It was shown that the intensity of the absorption bands of stretching vibra- tions νCO (range 1800–1600 cm–1) of uracil thin films (Ur) increases by a factor 3–4. For multilayer films the influence of nanostructures on the vibrational spectra is weakening and for the layers of the film that are spaced from the surface more than 15 nm the gain is absent practically. The energies and the vibrational spectra of complexes uracil monomers and dimers with 20 tetrahedral atomic nanoclusters of silver were calcu- lated by the quantum-mechanical method DFT/B3LYP. The most stable complexes have the coordination bond between the top of the tetrahedron of silver and oxy- gen of the carbonyl group C4O. It was found that the formation of such complexes significantly (3–5 times) amplifies the intensity of the stretching vibration νC4O of uracil, while the intensity of the deformation vibra- tions βNH, βCH, and the rings are not experiencing significant growth. PACS: 78.66.–w Optical properties of specific thin films; 78.68.+m Optical properties of surfaces; 33.20.Ea Infrared spectra. Keywords: SEIRA, uracil, low-temperature matrix iso- lation FT-IR spectroscopy. 148 Low Temperature Physics/Физика низких температур, 2016, т. 42, № 2
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-128461
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	0132-6414
language	Russian
last_indexed	2025-12-01T02:13:25Z
publishDate	2016
publisher	Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України
record_format	dspace
spelling	Иванов, А.Ю. Степаньян, С.Г. Адамович, Л. Карачевцев, В.А. 2018-01-09T16:24:14Z 2018-01-09T16:24:14Z 2016 Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила / А.Ю. Иванов, С.Г. Степаньян, Л. Адамович, В.А. Карачевцев // Физика низких температур. — 2016. — Т. 42, № 2. — С. 142–148. — Бібліогр.: 30 назв. — рос. 0132-6414 PACS: 78.66.–w, 78.68.+m, 33.20.Ea https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128461 Усиление наноструктурированной металлической поверхностью инфракрасного поглощения (SEIRA) адсорбированных биологических молекул является одним из основных направлений увеличения чувствительности современных оптических биосенсоров. Исследованы ИК фурье-спектры поглощения тонких пленок молекул азотистого основания РНК урацила, осажденных на низкотемпературные подложки (T = 6 К) с наноструктурами серебра, в спектральном диапазоне 2700–600 см⁻¹ . Показано, что интенсивность полос поглощения валентных колебаний νCO (диапазон 1800–1600 см⁻¹ ) тонкослойных пленок урацила возрастает в 3–4 раза. Для многослойных пленок влияние наноструктур на колебательные спектры ослабевает, и для слоев пленки, удаленных от поверхности более чем на 15 нм, усиление практически отсутствует. Проведены расчеты энергий колебательных спектров комплексов мономеров и димеров Ur с 20-атомными тетраэдрическими нанокластерами серебра квантово-механическим методом DFT/B3LYP. Наиболее стабильными являются комплексы с координационной связью между вершиной тетраэдра серебра и кислородом карбонильной группы C4O. Установлено, что при образовании таких комплексов существенно (3–5 раз) усиливается интенсивность валентного колебания νC4O урацила, в то время как интенсивности деформационных колебаний βNH, βCH и кольца существенно не возрастают. Підсилення наноструктурованою металевою поверхнею інфрачервоного поглинання (SEIRA) адсорбованих біологічних молекул є одним з основних напрямків збільшення чутливості сучасних оптичних біосенсорів. Досліджено ІЧ фур’є-спектри поглинання тонких плівок молекул основи РНК урацилу), осаджених на низькотемпературні підкладки (T = 6 К) з наноструктурами срібла, в спектральному діапазоні 2700–600 см⁻¹ . Показано, що інтенсивність смуг поглинання валентних коливань νCO (діапазон 1800–1600 см⁻¹ ) тонкошарових плівок урацила зростає в 3–4 рази. Для багатошарових плівок вплив наноструктур на коливальні спектри слабшає, і для шарів плівки, віддалених від поверхні більш ніж на 15 нм посилення практично відсутнє. Проведено розрахунки енергій і коливальних спектрів комплексів мономерів і димерів урацилу з 20-атомними тетраедричними нанокластерами срібла квантово-механічним методом DFT/B3LYP. Найбільш стабільними є комплекси з координаційним зв’язком між вершиною тетраедра срібла і киснем карбонільної групи C4O. Встановлено, що при утворенні таких комплексів істотно (у 3–5 разів) посилюється інтенсивність валентного коливання νC4O урацила, в той час як інтенсивності деформаційних коливань βNH, βCH і кільця суттєво не зростають. Enhancement of infrared absorption (SEIRA) of biological molecules by a nanostructured metal surface is one of the main directions of increasing the sensitivity of modern optical biosensors. The FTIR absorption spectra of thin films of uracil (a RNA base) deposited on low-temperature substrate (T = 6 K) with nanoscale silver structures were investigated in the spectral range 2700–600 cm⁻¹ . It was shown that the intensity of the absorption bands of stretching vibrations νCO (range 1800–1600 cm⁻¹ ) of uracil thin films (Ur) increases by a factor 3–4. For multilayer films the influence of nanostructures on the vibrational spectra is weakening and for the layers of the film that are spaced from the surface more than 15 nm the gain is absent practically. The energies and the vibrational spectra of complexes uracil monomers and dimers with 20 tetrahedral atomic nanoclusters of silver were calculated by the quantum-mechanical method DFT/B3LYP. The most stable complexes have the coordination bond between the top of the tetrahedron of silver and oxygen of the carbonyl group C4O. It was found that the formation of such complexes significantly (3–5 times) amplifies the intensity of the stretching vibration νC4O of uracil, while the intensity of the deformation vibrations βNH, βCH, and the rings are not experiencing significant growth. Работа выполнена при финансовой поддержке Национальной академии наук Украины (грант №0114U001070 и частично грант №15/15H), а также Государственного фонда фундаментальных исследований Украины (грант № 54.1/044). Авторы благодарят П. Матейченко за морфологические измерения наноструктурированной серебряной поверхности, а также А.М. Плохотниченко и Ю.В. Рубина за полезную дискуссию. ru Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України Физика низких температур Пористые и низкоразмерные структуры Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила Enhancement of infrared absorption of the low-temperature uracil thin films by nanostructured silver surface Article published earlier
spellingShingle	Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила Иванов, А.Ю. Степаньян, С.Г. Адамович, Л. Карачевцев, В.А. Пористые и низкоразмерные структуры
title	Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила
title_alt	Enhancement of infrared absorption of the low-temperature uracil thin films by nanostructured silver surface
title_full	Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила
title_fullStr	Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила
title_full_unstemmed	Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила
title_short	Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила
title_sort	усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила
topic	Пористые и низкоразмерные структуры
topic_facet	Пористые и низкоразмерные структуры
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/128461
work_keys_str_mv	AT ivanovaû usilenienanostrukturirovannoipoverhnostʹûserebrainfrakrasnogopogloŝeniânizkotemperaturnyhtonkihplenokuracila AT stepanʹânsg usilenienanostrukturirovannoipoverhnostʹûserebrainfrakrasnogopogloŝeniânizkotemperaturnyhtonkihplenokuracila AT adamovičl usilenienanostrukturirovannoipoverhnostʹûserebrainfrakrasnogopogloŝeniânizkotemperaturnyhtonkihplenokuracila AT karačevcevva usilenienanostrukturirovannoipoverhnostʹûserebrainfrakrasnogopogloŝeniânizkotemperaturnyhtonkihplenokuracila AT ivanovaû enhancementofinfraredabsorptionofthelowtemperatureuracilthinfilmsbynanostructuredsilversurface AT stepanʹânsg enhancementofinfraredabsorptionofthelowtemperatureuracilthinfilmsbynanostructuredsilversurface AT adamovičl enhancementofinfraredabsorptionofthelowtemperatureuracilthinfilmsbynanostructuredsilversurface AT karačevcevva enhancementofinfraredabsorptionofthelowtemperatureuracilthinfilmsbynanostructuredsilversurface

Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила

Репозитарії

Схожі ресурси