Горизонты научного поиска

Эффект Рамана в ЛНФ: диапазон методов расширяется

Сегодня рамановская спектроскопия применяется очень широко: в материаловедении, биомедицине, органической и полимерной химии, фармакологии, геологии, искусствоведении, криминалистике и других областях.

Совсем недавно исследования в области физики конденсированных сред методом комбинационного рассеяния начали проводиться в ЛНФ ОИЯИ. Об этих работах рассказывает начальник сектора рамановской спектроскопии ЛНФ Григорий Макичевич АРЗУМАНЯН.

Мы - молодое подразделение, функционируем с 2013 года, когда была открыта первая научная тема по рамановской спектроскопии в ОИЯИ. Сейчас в секторе работают десять человек, и больше половины штата - молодежь. Я также стараюсь привлекать сотрудников из стран-участниц Института, сейчас у нас работают специалисты из Узбекистана, Украины, Белоруссии. Периодически с кратковременными визитами к нам приезжают молодые ученые из других наших стран-участниц. Говоря о научных исследованиях, хотелось бы, прежде всего, отметить, что рамановская спектроскопия и микроскопия не только не потеряли и по сей день свою актуальность, но и интенсивно развиваются во всем мире. Они, наряду с нейтронными и синхротронными исследованиями, составляют часть физики конденсированных сред. Но изучение вещества на молекулярном уровне с помощью колебательных и вращательных спектров не доступно ни синхротронным, ни нейтронным, ни другим методикам. Именно комбинационное рассеяние света позволяет изучать структуру на молекулярном уровне - в отличие, например, от нейтронной спектроскопии, где все измерения ведутся на атомарном и наномасштабе.

Близка рамановской инфракрасная спектроскопия (ИК), но они отличаются правилами отбора, в ИК-спектроскопии измеряется спектр поглощения, также там очень непростой процесс подготовки проб для измерений, а рамановская в этом плане совершенно не капризна. Есть еще ряд преимуществ метода КРС, но, к сожалению, есть и один серьезный недостаток: сигнал рассеяния очень слабый - только один из 10⁷-10⁸ фотонов возбуждающего излучения участвует в комбинационном рассеянии. Поэтому его нужно усилить, особенно для исследований в биологии. Над поиском эффективных методик усиления последние десятилетия работают многие исследователи и компании. Например, совместная с Японией компания в Белоруссии, которая сейчас называется Sol Instruments. Она разработала уникальный микроскоп, о котором я хотел бы рассказать немного подробнее. Один, но не единственный из методов усиления, - это нелинейная КАРС-методика (когерентное антистоксово рассеяние света). В рамановском микроспектрометре, который разработали и изготовили белорусы, а вклад японцев - практически только встроенная электроника, инсталлирована не просто спонтанная рамановская спектроскопия, но и КАРС-опция. И, как мы понимаем сегодня после того, как обзавелись партнерами-пользователями прибора, это единственный на сегодняшний день действующий КАРС-микроскоп на территории России и СНГ. Раньше аналогичные приборы были в МГУ и некоторых других российских научных центрах и университетах, но сегодня все они не функционируют. А мы свой микроскоп поддерживаем на очень хорошем уровне, и к нам на измерения приезжают из таких московских академических институтов, как Институт общей физики, Институт теоретической и прикладной электродинамики, Институт биохимической физики, а также из МГУ. КАРС-методика позволяет усиливать сигнал на 3-4 порядка, это не очень много, но использование пикосекундных и/или фемтосекундных лазеров с высокой пиковой интенсивностью позволяет осуществлять контрастную и высокоскоростную микроскопию. КАРС-опция используется, в основном, для визуализации объектов на микронном и субмикронном уровне. Недавно мы опубликовали в Journal of American chemical society - журнале с импакт-фактором 13, наши результаты по КАРС-визуализации кристаллов бактериородопсина и некоторых других кристаллов с субмикронным разрешением и очень высокой контрастностью.

Сечение рассеяния рамановского сигнала на биологических объектах очень слабое, на уровне 10^-30 см². КАРС-методика позволяет усилить сигнал на 3-4 порядка, это хорошо, но для ряда задач недостаточно. Для достижения более высокой чувствительности в мире сейчас используется другой подход - так называемое гигантское комбинационное рассеяние (ГКР), в английской терминологии оно называется SERS (поверхностно усиленное рамановское рассеяние). Для него нужны специальные подложки с шероховатым слоем наночастиц золота, серебра или меди, на который адсорбируются молекулы того или иного образца. За счет эффекта так называемого плазмонного усиления электрического поля, которым вы облучаете образец, могут возникать гигантские усиления рамановского сигнала, в определенных условиях до величин порядка 10¹⁴-10¹⁵, а это уже уровень детектирования одиночных молекул. На западе выпускаются коммерческие подложки для ГКР, но они относительно дорогие и пока малоэффективные, поскольку не дают повторяемости результата, а это очень важно в эксперименте. Причем это не только наше мнение, так считают и европейские и американские исследователи.

Мы пошли другим путем - нашли партнеров в том же Минске, в Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники. Они разрабатывают ГКР-активные подложки не на стекле, а на основе пористого кремния. Сейчас мы опубликовали совместную работу по результатам, полученным на их подложках, где достигли чувствительности 10^-11-10^-12 молярной концентрации липидов, белков и т.д. Это уже недалеко от уровня одиночных молекул - еще 3-4 порядка, но их еще надо преодолеть. Можно попробовать применить комбинированное усиление двумя методиками CARS и ГКР, так называемая опция SECARS. Этим занимаются очень немногие исследователи в мире: в США, Великобритании и Японии. Но чтобы суммарное усиление проявилось, надо ювелирно подобрать уникальные условия и эксперимента, и образца. Совсем недавно мы вместе с коллегами из Москвы поставили первые такие эксперименты, где была достигнута чувствительность уровня одиночных молекул, а контрастность изображения просто фантастическая. Месяц назад результаты доложили на большой международной конференции по лазерам и нелинейной оптике в Минске. Доклад имел большой успех, ведь фактически это первая работа по методике SECARS на территории бывшего СССР.

Мы с самого начала нашей деятельности понимали, что времени для разгона у нас нет, надо идти в ногу с тем, что делается сегодня в мире в рамановской спектроскопии и микроскопии, а не заниматься какими-то рутинными работами, - поэтому мы пошли на то, чтобы в кратчайшие сроки наряду с КАРС-микроскопией освоить и ГКР-методику. Это не очень-то просто, но мы решаем эту задачу, вроде бы, достаточно успешно.

Сектор по числу сотрудников небольшой, но мы проводим активную исследовательскую деятельность: кроме рамановской спектроскопии, занимаемся еще и люминесценцией, в том числе и ап-конверсионной люминесценцией, когда облучается образец не коротковолновым, а длинноволновым ИК лазером, а люминесценция идет в коротковолновую область спектра. Это очень интересная область, здесь используются редкоземельные элементы типа эрбия, европия, тулия, иттербия и других. Здесь у нас тоже есть несколько партнеров из стран СНГ, а также Латвии и Германии. Ап-конверсионную люминесценцию мы развиваем потому, что оптика, установленная на нашем микроскопе, позволяет этим заниматься (это так называемое антистоксово излучение). А в России ей занимаются очень мало, потому что нет CARS-методики и соответствующей ей оптики, позволяющей это делать. Возникает вопрос, зачем этой люминесценцией заниматься? Например, для повышения КПД солнечных батарей. Солнечные батареи на основе кремния из солнечного спектра берут только ту часть, которая позволяет фотонам преодолевать запрещенную по энергетике зону, а вся инфракрасная часть выпадает. Сейчас крупные фирмы уже разработали технологию, когда нанесенный нанослой ап-конверсионных частиц позволяет забрать энергию и инфракрасной части. Но эта технология сложна, небольшому исследовательскому коллективу она не под силу, однако, например, в ОЭЗ можно было бы ее реализовать.

Есть и другое применение, связанное с визуализацией биологических объектов, которым мы сейчас начинаем заниматься. В мире известна флюоресцентная микроскопия, достигающая чувствительности одиночных молекул. У нее есть один очень большой недостаток - использование флюорофорных маркеров, которые приводят к фотовыцветанию образцов, гибели биологических объектов - клеток, бактерий и т.д. В этом тоже одно из больших преимуществ рамановской спектроскопии, где не нужно использовать никакие маркеры. Ап-конверсионная люминесценция позволяет делать аналогичную визуализацию биологических объектов с большой контрастностью, как флюоресцентная микроскопия, но без использования маркеров, то есть она неинвазивна.

Еще одна важная составная часть нашей деятельности - привлечение студентов нашего университета и участвующих в практиках Учебно-научного центра ОИЯИ. Этой весной трое египетских студентов проходили у нас практику как раз по теме ап-конверсионной люминесценции. У них таких приборов нет, но есть образцы, с которыми они ездят по всему миру и делают измерения. Для них стало большим откровением, что сегодня в ЛНФ тоже есть такой прибор. У нас были и участники летней международной практики из европейских стран-участниц Института, а сейчас по предложению университета "Дубна" в нашем коллективе готовят свои бакалаврские и магистерские работы трое студентов кафедры нанотехнологий и наноматериалов.

Приезжавший недавно в ОИЯИ профессор Р.Гувер (США) случайно узнал о нашем микроскопе, пришел со своими метеоритами, мы сидели с ним неделю и увидели то, чего другие исследования, даже по рамановской спектроскопии, не дали. Он хочет наладить долгосрочное сотрудничество, чтобы искать следы органики в метеоритах с помощью нашего микроскопа.

В заключение я хотел бы выразить благодарность дирекции ЛНФ, которая приютила нас под своей научной крышей и всемерно помогает в решении многих научно-организационных вопросов.

Кахрамон Маматкулов (Узбекистан): Мы работаем на уникальной установке, где совмещены возможности методик Рамана, CARS и SECARS. И, несмотря на то, что сектор организован относительно недавно, уже есть заметные результаты, опубликованные в престижном научном журнале. Работа интересная, с удовольствием ей занимаемся.

Неля Дорошкевич (Украина): Я работала в Донецком национальном университете, занималась биотехнологиями, разработкой ферментов. Здесь исследования, действительно, очень интересные, имеют большое прикладное значение, например для лечения болезни Альцгеймера, диагностирования аневризмы вен, тромбов. Возможно, наш уникальный прибор поможет установить механизмы заболеваний.

Ольга ТАРАНТИНА

Из истории открытия

Комбинационное рассеяние света (эффект Рамана) - неупругое рассеяние оптического излучения на молекулах вещества, сопровождающееся заметным изменением частоты излучения. В отличие от рэлеевского рассеяния, в случае комбинационного рассеяния в спектре рассеянного света появляются спектральные линии, которых нет в спектре первичного света. Число и расположение появляющихся линий (называемых комбинационными) определяется молекулярным строением вещества. Начиная с 1926 года, академики Л.И.Мандельштам и Г.С.Ландсберг развернули в МГУ работы по изучению молекулярного рассеяния света в кристаллах. 21 февраля 1928 года они обнаружили эффект, который назвали комбинационным рассеянием света (КРС), о чем сообщили на коллоквиуме 27 апреля и опубликовали результаты в советском и двух немецких журналах. Одновременно известный индийский физик Ч.В.Раман исследовал рассеяние солнечного света в жидкостях и парах в поисках оптического аналога эффекта Комптона с 1923 года. 28 февраля 1928 года он и К.С.Кришнан также впервые наблюдали линии спектра нового излучения. Накопленный экспериментальный материал позволил им немедленно опубликовать статью об обнаруженном новом виде свечения. В 1930 году Раману была присуждена Нобелевская премия по физике.