Функциональные 2D–наноматериалы для оптоэлектронной техники на основе ленгмюровских пленок бактериородопсина

Протестированы возможности создания на основе мономолекулярных слоев бактериородопсина (БР) высокочувствительных и высокоселективных биосенсоров, основанных на генерации второй гармоники и возбуждении поверхностных плазмон-поляритонных волн. Для этой цели использованы различные оптические и нелинейно-оптические методы исследования пленок Ленгмюра—Блоджетт с тем, чтобы сохранить все специфические свойства, присущие молекулам БР, при переносе их с водной поверхности на твердую подложку. Показано, что метод генерации второй гармоники может быть эффективно использован для анализа ориентации молекул БР и качества пленок Ленгмюра—Блоджетт. Измеренное значение нелинейной оптической восприимчивости второго порядка молекул БР составило 3,4 · 10^-11 м/В. Относительное изменение резонансного значения волнового вектора — (3,6 ± 0,1) · 10^-2 при длине волны возбуждающего света 630 нм. Получен спектр БР, вызванный возбуждением поверхностных плазмон- поляритонных волн падающим излучением. По результатам проведенных исследований предложены оригинальные схемы биосенсоров, использующих генерацию второй гармоники и поверхностно-плазмонный резонанс при отражении сигнала основной частоты от монослоев БР. Схема апробирована на макете прибора. Показана возможность получения чувствительности порядка 10¹¹ мол/см³.

1. Валянский, С. И. Наноматериалы. Ленгмюровские пленки / С. И. Валянский, Е. К. Наими. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2014. - 188 с.

2. Валянский, С. И. Введение в физику поверхностных электромагнитных волн: Получение, регистрация и применение / С. И. Валянский, Е. К. Наими. - Saarbrücken: Международный Издательский Дом LAP LAMBERT Academic Publishing: AV Akademikerverlag GmbH & Co. KG, 2013. - 180 с.

3. Балашев, С. П. Фотохимические превращения бактериородопсина / С. П. Балашев, Ф. Ф. Литвин. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - С. 164.

4. Hwang, S. B. Structural and spectroscopic characteristics of bacteriorhodopsin in air-water interface films / S. B. Hwang, J. I. Korenbrot, W. Stoeckenius // J. Membran. Biol. - 1977. - V. 36, N 1. - P. 115—135. DOI: 10.1007/BF01868147

5. Горшков, М. М. Эллипсометрия / М. М. Горшков. - М.: Сов. радио, 1974. - 200 с.

6. Скулачев, В. П. Энергетика биологических мембран / В. П. Скулачев. - М.: Наука, 1989. - 564 с.

7. Hwang, S. B. Transient photovoltages in purple membrane multilayers. Charge displacement in bacteriorhodopsin and its photointermediates / S. B. Hwang, J. I. Korenbrot, W. Stoeckenius // Biochim. et Biophys. Acta (BBA) - Biomembranes. - 1978. - V. 509, N 2. - P. 300—317. DOI: 10.1016/0005-2736(78)90049-4

8. Акципетров, О. А. Генерация второй гармоники при отражении от мономолекулярного ленгмюровского слоя / О. А. Акципетров, Н. Н. Ахмедиев, Е. Д. Мишина, В. Р. Новак // Письма в ЖЭТФ. - 1983. - Т. 37. - С. 175—176.

9. Акципетров, О. А. Исследование структуры ленгмюровских пленок методом генерации отраженной второй гармоники / О. А. Акципетров, Н. Н. Ахмедиев, И. М. Баранова, Е. Д. Мишина, В. Р. Новак // ЖЭТФ. - 1985. - Т. 89. - С. 911—921.

10. Кирьянов, А. В. Нелинейно-оптические свойства бактериородопсина в многослойных пленках Ленгмюра-Блоджетт / А. В. Кирьянов, И. А. Масляницин, В. В. Савранский, В. Д. Шигорин, Х. Лемметийнен // Квантовая электроника. - 1997. - Т. 26, № 1. - С. 85—88.

11. Алексеев, А. С. Нелинейно-оптические свойства Ленгмюра-Блоджетт монослоев бактериородопсина / А. С. Алексеев, С. И. Валянский, В. В. Савранский // Тр. ин-та общей физики. - 1992. - Т. 38. - С. 131—148.

12. Алексеев, А. С. Исследование ленгмюровских пленок бактериородопсина методом генерации второй гармоники / А. С. Алексеев, С. И. Валянский, В. В. Савранский // Краткие сообщения по физике. - 1989. - № 2. - С. 35—36.

13. Валянский, С. И. Современные методы исследования наноструктур. Метод оптической поверхностно-плазмонной микроскопии / С. И. Валянский, Е. К. Наими. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2011. - 173 с.

14. Otto, A. Exitation of nonradiactive surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflexion / A. Otto // Zeitschrift für Physik. - 1968. - Bd. 216, N 4. - S. 398–410. DOI: 10.1007/BF01391532

15. Kretschmann, E. Die Bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflächenplasmaschwingungen / E. Kretschmann // Zeitschrift für Physik A. Hadrons and nuclei. - 1971. - Bd. 241, N 4. - S. 313—324. DOI: 10.1007/BF0139542

16. Абельс, Ф. Поверхностные поляритоны на металлических поверхностях и границах раздела / Ф. Абельс, Т. Лопес-Риос // Поверхностные поляритоны. - М.: Наука, 1985. - С. 167—189.

17. Алексеев, А. С. Рассеяние света на поверхностных плазмонах и гигантское комбинационное рассеяние монослоев бактериородопсина / А. С. Алексеев, С. И. Валянский, X. Леметюйнен, A. M. Прохоров, В. В. Савранский // Краткие сообщения по физике. - 1989. - № 9. - С. 53—55.

18. Чен, И. Дж. Трехволновые нелинейные взаимодействия с участием поверхностных поляритонов: Комбинационное рассеяние, дифракция и параметрическое смешение света / И. Дж. Чен, Е. Бурштейн // Поверхностные поляритоны. - М.: Наука, 1985. - С. 410—439.

19. Smith, S. О. Determination of retinal chromophore structure in bacteriorhodopsin with resonance Raman spectroscopy / О Smith., J. Lugttnburg, R. A. Mathies // J. Membran. Biol. - 1985. - V. 85, N 2. - P. 95—109. DOI: 10.1007/BF01871263

20. Набиев, И. Р. Гигантское комбинационное рассеяние и его применение к излучению биологических молекул / И. Р. Набиев, Р. Г. Ефремов, Г. Д. Чуманов // УФН. - 1988. - Т. 154. - С. 459—496. DOI: 10.3367/UFNr.0154.198803d.0459