Микрорезонаторы на основе полистирольных микросфер. Фото: пресс-служба РНФ

В Университете ИТМО разработали микрочастицы-резонаторы, которые испускают свет и самостоятельно усиливают его в сотни раз. Благодаря такому свойству их можно использовать при создании светящихся медицинских сенсоров для детектирования в образцах крови молекул-маркеров различных заболеваний. Кроме того, подобные структуры будут полезны в качестве миниатюрных меток для защиты от подделок и систем маркировки, в том числе для нужд микроэлектроники, сообщили в пресс-службе Российского научного фонда.

Оптические микрорезонаторы — это миниатюрные устройства, которые можно сравнить с круглой зеркальной комнатой, где луч света снова и снова отражается от стен. Из-за этого он становится гораздо интенсивнее. Благодаря этому свойству такие «усилители» можно использовать при создании миниатюрных лазеров, биомедицинских датчиков и оптических меток для защиты драгоценностей от подделки.

Автор статьи Евгений Смирнов

Однако широко микрорезонаторы пока не используются, так как большинство существующих образцов имеют серьезные недостатки: их приходится «активировать» мощным лазером, иначе они попросту не будут удерживать и усиливать свет. Кроме того, часто материалы, из которых сделаны такие устройства, несовместимы с биологическими объектами, что не позволяет применять их в медицинской диагностике.

Исследователи из Университета ИТМО (Санкт-Петербург) создали микрорезонатор, который не просто удерживает и усиливает свет, но и сам его генерирует.

За основу ученые взяли стандартные микрорезонаторы — сферы из полистирола диаметром около пяти микрометров (в десять раз тоньше человеческого волоса). На их поверхность авторы поместили светящиеся люминофоры (светящиеся частицы) двух типов: нанокристаллы, состоящие из серебра, индия и серы, а также углеродные точки.

Автор статьи Евгения Соловьёва за работой на установке по контролю и сепарации микрорезонаторов на поверхности

Затем исследователи нанесли еще два дополнительных слоя — полимер и золотые наночастицы. Первый выполнял роль изолятора — он не давал золоту взаимодействовать с нижележащими нанокристаллами и тушить их свечение. Золото служило «антенной», которая усиливает свет, испускаемый микрорезонатором.

Когда на полученный микрорезонатор действуют даже относительно слабым лазером, нанокристаллы из серебра, индия и серы или углеродные точки на его поверхности испускают свет сразу во все стороны. Большая часть этого излучения «вылетает» из микрорезонатора хаотично, превращаясь в бесполезный фоновый сигнал. Но другая, меньшая часть излучения попадает в «ловушку» внутри полистирольной микросферы: из-за многократных отражений от ее стенок она остается внутри, при этом «подхватывает» свечение от других нанокристаллов и благодаря этому становится в сотни раз ярче.

Авторы статьи Антон Ткач и Ксения Малеева за работой на конфокальном микроскопе LSM-710, Carl Zeiss

Ученые экспериментально подтвердили «тушение» побочных сигналов и многократное увеличение яркости свечения, прошедшего через полость микросферы. Более того, исследование показало, что, меняя архитектуру нанесения слоев, можно «настраивать» излучение люминофоров, что позволит создавать микрорезонаторы с оптимальными свойствами под разные задачи. При этом важно отметить, что все компоненты микросфер нетоксичны, а потому разработку можно будет использовать для анализа биологических образцов, например клеток и тканей.

Ранее ученые создали материал, который более чем в 10 тысяч раз повышает чувствительность рамановской спектроскопии — метода для анализа состава самых разных смесей. Благодаря разработке этот подход удастся применять для выявления даже минимальных концентраций интересующих молекул в сложных средах — крови, водоемах, продуктах нефтепереработки и других.

Авторы статьи. Слева направо: Антон Старовойтов, Максим Молодцов, Антон Ткач, Кирилл Богданов (руководитель проекта), Ксения Малеева, Алексей Болтенко

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Optics and Laser Technology.