Правительство Санкт‑Петербурга

Ученые Университета ИТМО разработали оптические микрорезонаторы, которые способны не просто удерживать и многократно усиливать свет, но и самостоятельно его генерировать. Новая технология может найти применение в создании высокочувствительных медицинских сенсоров, в том числе для выявления молекул-маркеров различных заболеваний в образцах крови. Также такие микрорезонаторы могут быть полезны при создании миниатюрных меток для защиты продукции от подделок, систем маркировки для нужд микроэлектроники и других областей. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда и опубликовано в журнале Optics and Laser Technology.

Основой разработки послужили стандартные микрорезонаторы - сферы из полистирола диаметром около пяти микрометров (примерно в десять раз тоньше человеческого волоса). На их поверхность ученые нанесли люминофоры (светящиеся частицы) двух типов: нанокристаллы из серебра, индия и серы, а также углеродные точки. Затем микросферы покрыли двумя дополнительными слоями – полимером и золотыми наночастицами для усиления эффекта полезного излучения.

Работу устройства можно сравнить с круглой зеркальной комнатой, в которой луч света многократно отражается от стен, усиливая свечение.

Когда на полученный микрорезонатор воздействует даже относительно слабый лазер, люминофоры начинают испускать свет. Часть излучения выходит наружу, превращаясь в бесполезный фоновый сигнал, а другая попадает «в ловушку» внутри микросферы. Благодаря многократным отражениям от стенок свет остается внутри резонатора и, «подхватывая» свечение от других нанокристаллов, усиливается в сотни раз.

При этом, как отмечают разработчики, усиленный сигнал можно легко отличить от хаотичного фона по наличию острых, узких пиков на определенных длинах волн, тогда как фоновый сигнал имеет широкий и размытый спектр.

Золотые наночастицы при этом выборочно подавляют нежелательное излучение и делают полезный сигнал более выраженным. Эксперименты подтвердили многократное увеличение яркости света, прошедшего через полость микросферы.

Исследователи также установили, что изменение архитектуры наносимых слоев позволяет управлять характеристиками излучения. Это открывает возможности для создания микрорезонаторов с заданными оптическими свойствами под решение различных практических задач.

«Петербург по праву считается одним из главных научных центров страны. Наши ученые создают прорывные разработки, успешно сочетая фундаментальные исследования с решением конкретных прикладных задач. Они находят свое применение в самых разных областях – от медицины до высокотехнологичной промышленности. И специалисты ИТМО вносят весомый вклад в эту масштабную работу, способствуя раскрытию инновационного потенциала нашего города и достижению национальных целей технологического лидерства, - подчеркнул вице-губернатор Владимир Княгинин. - Мы и дальше будем поддерживать наши научные коллективы, создавать оптимальные условия для рождения инноваций и их ускоренного внедрения в городскую экономику».

Важно отметить, что все компоненты разработанных микросфер нетоксичны. Это позволяет рассматривать возможность их дальнейшего применения для анализа биологических образцов, в том числе клеток и тканей.

Новая разработка продолжает исследования ученых ИТМО в области сверхчувствительной оптической диагностики. Ранее специалисты университета создали материал, который более чем в 10 тысяч раз повышает чувствительность рамановской спектроскопии – метода для анализа состава разных веществ.

Объединение этих подходов в перспективе позволит создать компактную систему формата «лаборатория на чипе», способную одновременно обнаруживать и анализировать даже минимальные концентрации интересующих молекул в сложных средах – крови, водоемах, продуктах нефтепереработки и других.

«В будущем мы планируем совместить проведенные ранее исследования и на основе этих результатов создать структуру типа “лаборатория на чипе” с возможностью параллельного детектирования аналита на детекторном и аналитическом каналах. Также мы проанализируем устойчивость гибридных структур в жидких средах, их отклик на сложные мультикомпонентные пробы, определим пределы обнаружения и избирательность на модельных соединениях для различных архитектур микросфер», - рассказал руководитель проекта, заведующий лабораторией Международного научно-образовательного центра физики наноструктур Университета ИТМО Кирилл Богданов.