Синтез и оптические характеристики полупроводниковых наночастиц для биологических применений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.02, кандидат физико-математических наук Волкова, Елена Константиновна

• Волкова, Елена Константиновна
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Волкова, Елена Константиновна

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. Люминесцентные полупроводниковые

наночастицы для биологических применений

1.1 Оптические характеристики наночастиц

1.2. Методы синтеза полупроводниковых наночастиц

1.2.1 Высокотемпературный синтез

1.2.2 Синтез в мицеллах

1.2.3 Синтез в обращенных мицеллах

1.2.4 Синтез в микроэмульсиях

1.2. 5 Синтез без стабилизации поверхности наночастиц

1.2. 6 Отработка методики целенаправленного влияния условий синтеза на форму наночастиц

1.3. Методы стабилизации полупроводниковых наночастиц

1.4. Использование наночастиц в биосенсорах

1.4.1 .Биосенсоры для определения рН среды

1.4.2. Нанобиосенсоры для определения концентрации глюкозы

1.4.2.1. Механизмы тушения люминесценции наночастиц в присутствии перекиси водорода

1.4.2.2. Температурные наносенсоры

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ

ДАННЫХ

2.1. Методы исследования

2.2. Коррекция спектров возбуждения люминесценции образцов

ГЛАВА 3. МЕТОДИКИ СИНТЕЗА И СТАБИЛИЗАЦИИ

НАНОЧАСТИЦ CDS И ZNCDS

3.1. Методы синтеза наночастиц

3.1.1. Разработка методики высокотемпературного синтеза наночастиц CdS

3.1.2. Разработка методики низкотемпературного синтеза

наночастиц

3.1.3. Синтез наночастиц смешанного типа ZnCdS

3.2. Разработка методов стабилизации, синтезированных наночастиц

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИНТЕЗИРОВАННЫХ НАНОЧАСТИЦ В БИОЛОГИИ

4.1. Исследование температурных зависимостей положения спектральной полосы флуоресценции наночастиц

4.2. Разработка люминесцентных сенсоров для определения концентрации глюкозы

4.3. Регистрация диффузии наночастиц в кожу

4.4. Исследование влияния биологической среды на изменение

люминесцентных характеристик наночастиц ZnCdS

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и оптические характеристики полупроводниковых наночастиц для биологических применений»

Введение

В настоящее время одной из наиболее интенсивно развивающихся областей применения люминесцентных полупроводниковых наночастиц является их использование в молекулярной и клеточной биологии, медицинской диагностике и терапии. При этом наночастицы применяются в качестве люминесцентных меток для визуализации структуры биологических объектов и для сверхчувствительного детектирования биохимических реакций. Требования, предъявляемые к люминесцентным меткам - это гидрофильность, большой коэффициент поглощения в заданной области возбуждения, высокий квантовый выход люминесценции. Создан новый класс люминесцентных сенсоров взамен обычно применяющихся органических красителей - коллоидные полупроводниковые нанокристаллы. В отличие от красителей, для возбуждения люминесценции нанокристаллов всех цветов достаточно одного источника излучения.

Актуальность работы

Спектральные характеристики люминесценции полупроводниковых нанокристаллов зависят не только от их размера, но также формы и химического состава. Совокупность физико-химических свойств делает наночастицы идеальными флуорофорами для создания биосенсоров, позволяющих регистрировать структуру, химический состав биологических объектов, а также для медицинской диагностики, требующей регистрации многих параметров одновременно. Развитая площадь поверхности наночастиц позволяет расположить на ней большое количество различных функциональных групп, обеспечивающих связывание с различными диагностическими и терапевтическими агентами. Необходимость достижения высокого квантового выхода частиц при комнатной температуре требует разработки эффективных методов синтеза и стабилизации наночастиц.

На сегодняшний день основное направление исследований связано с возможностью применения полупроводниковых наночастиц, люминесценция которых вызвана процессами рекомбинации свободных носителей заряда, образованных возбуждающим излучением. Однако, наличие значительного количества поверхностных дефектов, не стабилизированных нанесением поверхностного слоя стабилизатора, может привести к повышению чувствительности наночастиц к изменениям окружающей среды, вызванному взаимодействием с ней люминесцирующих дефектов. В то же время, количество работ, посвященных применению в биологии наночастиц, люминесценция которых вызвана поверхностными дефектами, незначительно.

Спектральные характеристики наночастиц зависят от метода и режима их синтеза и стабилизации. При этом необходим контроль размера и структуры частиц, осуществляемый, как правило, комплексом методов: электронной микроскопии, спектральных, включая рентгенодифракцию, химических и т.д. При исследовании спектральных характеристик наночастиц, возникают трудности регистрации их спектров поглощения, люминесценции и возбуждения, даже при отсутствии коллективных эффектов, т.к. спектры могут искажаться вследствие рассеяния и перепоглощения света. В результате этого, регистрируемые спектры поглощения, люминесценции и возбуждения исследуемого образца могут существенно отличаться от спектров поглощения, люминесценции и возбуждения отдельных наночастиц. В то же время, оптические спектры являются наиболее просто и быстро получаемыми характеристиками как получаемых наночастиц, так и процесса протекания реакции. Поэтому возникает необходимость в разработке алгоритма коррекции спектров поглощения, люминесценции и возбуждения наночастиц для получения неискаженных данных.

Таким образом, актуальным является выявление зависимости оптических свойств наночастиц от их размера и структуры, от условий их формирования и свойств их поверхности и разработка, на этой основе, наночастиц, используемых в качестве люминесцентных биосенсоров. Данная работа посвящена решению данной проблемы на основе использования наночастиц СЖ и 2пСс18.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка методов синтеза и изучение оптических характеристик люминесцирующих полупроводниковых наночастиц Сс1Б и 2пСс18 и применение их в биологии. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать новые низкотемпературные и высокотемпературные методики синтеза наночастиц СЖ и 2пСс18\

• исследовать оптические характеристики синтезированных наночастиц. Осуществить выбор оптимальных параметров синтеза для воспроизводимого получения наночастиц с высокой интенсивностью люминесценции поверхностных дефектов;

• разработать алгоритм и программу, позволяющие корректировать экспериментально полученные спектры возбуждения люминесценции нанокомпозитных образцов с целью определения неискаженных спектров возбуждения наночастиц в локальных областях образца;

• разработать метод частичной стабилизации синтезированных наночастиц без уменьшения эффективности люминесценции поверхностных дефектов;

• исследовать влияния температуры на оптические характеристики наночастиц 2пС<3$. Применение данных наночастиц для разработки температурных наносенсоров;

• исследовать зависимости степени тушения люминесценции наночастиц

от концентрации глюкозы. Применение данных наночастиц для разработки наносенсоров на изменение концентрации глюкозы.

Методы исследования

Для решения поставленных в работе задач применяли комплекс физико-химических методов исследования (люминесценция, УФ-, ИК-, видимая, ЕХАРБ спектроскопия, дифрактометрия, измерение размеров наночастиц на основе

динамического лазерного рассеяния оптическая микроскопия, электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия).

Научная новизна

• Разработаны новые высокотемпературные и низкотемпературные методы синтеза наночастиц СЖ и 2пСс1 с высокой интенсивностью люминесценции поверхностных дефектов.

• Показано влияние условий синтеза на форму наночастиц при варьировании режима синтеза и используемых прекурсоров.

• Разработана методика частичной стабилизации наночастиц пористой полимерной оболочкой без уменьшения эффективности люминесценции поверхностных дефектов.

• Разработан алгоритм и программа, позволяющие корректировать экспериментально полученные спектры возбуждения нанокомпозитных образцов.

• Получены данные о влиянии температуры на оптические характеристики наночастиц 2пСс13.

• Разработана методика создания температурных биосенсоров на основе синтезированных полупроводниковых наночастиц 2пСй8.

• Получена зависимость степени тушения люминесценции наночастиц 2пСс13 от концентрации глюкозы.

• Разработана методика создания биосенсоров для определения концентрации глюкозы на основе синтезированных полупроводниковых наночастиц

• Показано изменение положения максимума полосы люминесценции наночастиц смешанного типа ZnCdS, при взаимодействии с различными биологическими средами.

Практическая значимость работы

В результате проведенных исследований разработаны методики синтеза наночастиц CdS и ZnCdS с высокой интенсивностью люминесценции поверхностных дефектов. Разработана методика стабилизации наночастиц пористой полимерной оболочкой без уменьшения эффективности люминесценции. Разработан алгоритм и программа, позволяющие корректировать экспериментально полученные спектры возбуждения нанокомпозитных объектов. Показана возможность применения наночастиц ZnCdS для разработки биосенсоров на изменение концентрации глюкозы, температуры и окружения.

Полученные в работе результаты использовались при выполнении научных исследований по следующим грантам:

1. Грант Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации НШ-1177.2012.2 «Исследование оптических свойств биологических тканей и крови, направленное на создание фундаментальных основ оптической медицинской диагностики и лазерной терапии» (2012 - 2013).

2. НИР «Photonics for Life» № 224014 по гранту Седьмой Рамочной Программы Евросоюза (2008 - 2012).

3. НИР «Разработка оптических методов и средств контроля параметров микро- и макроструктуры биологических сред» в рамках государственного задания Министерства образования и науки (регистрационный № 01201253718) (2011 - 2014 г.г.).

4. НИР «Разработка когерентно-оптических биосенсоров на генетическом, клеточном и организменном уровнях организации», ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" (гос. контракт 14.В37.21.0563). (2009 - 2013 г.г.).

5. Грант РФФИ «Фотолюминесцентный метод измерения тепловых полей при лазерном фототермолизе биообъектов, содержащих плазмонно-резонансные наночастицы». Конкурс научных проектов, выполняемых молодыми учеными (Мой первый грант) грант РФФИ 12-02-31158 мол_а. (2012-2013).

6. НИР «Разработка оптических методов исследования и мониторинга изменений параметров биологических тканей и цельной крови при изменении содержания глюкозы в тканях организма человека и животных». НТП ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (госконтракт № 02.740.11.0770), (2010-2012 г.г.).

7. НИР «Разработка новых фотонных технологий анализа биофизических процессов в живых организмах на субклеточном, клеточном и тканевом уровнях для задач неинвазивной и минимально-инвазивной диагностики и терапии». ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России"( гос контракт 02.740.11.0879) (2010-2012 г.г.).

8. Развитие научно-образовательной структуры по когерентной оптике и биофотонике. Работа выполнена в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009 -2010 гг.)» (номер проекта 2.2.1.1/2950) (2009-2011 г.г.)

9. НИР «Оптические методы диагностики нано- и мезоскопических сред» в рамках Аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (Номер проекта 2.1.1/4989) (2009-2011 г.г.).

Ю.Исследование терапевтических, токсических и термических воздействий комплексов наночастица-фотосенсибилизатор при лазерном воздействии. Федеральная целевая программа «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. (гос. контракт №02.740.11.0484) (2009-2011 г.г.).

П.Грант РФФИ «ЕХАЕЗ - спектроскопия многофазных наночастиц» (08-0200404) (2008-2010 г.г).

12.Грант РФФИ «Синтез квазимонокристаллов СЖ в полимерной матрице на основе двумерных наночастиц» (09-03-00369) (2010-2012 г.г).

13.Исполните ль индивидуального НИОКР в рамках программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (У.М.Н.И.К.) Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (2011-2012 г.г.).

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

• Для создания наночастиц СЖ и с высокой интенсивностью люминесценции поверхностных дефектов необходим синтез наночастиц с нестабилизированной поверхностью при высокой концентрации реагентов для создания условий неравновесного роста. Для создания эффективных биосенсоров наночастицы могут быть частично стабилизированы пористой полимерной оболочкой без уменьшения эффективности люминесценции поверхностных дефектов.

• Интенсивность люминесценции поверхностных дефектов наночастиц Сс15 и 2пСс18 уменьшается с ростом температуры. Положение максимума полосы люминесценции при этом смещается в коротковолновую область.

• Люминесценция поверхностных дефектов наночастиц может использоваться в сенсорах концентрации глюкозы. При этом происходит статическое тушение люминесценции вследствие замещения поверхностных вакансий кислородом. Зависимость степени тушения от концентрации глюкозы описывается законом Штерна-Фолмера.

Личный вклад соиска теля заключается в постановке задач исследования, разработке методов синтеза и стабилизации наночастиц, непосредственном проведении экспериментов, обработке и обобщении полученных результатов, формулировании выводов.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 2 - в сборниках статей , 5 тезисов докладов, из них 2 - на Международных конференциях.

Апробация работы: Работа выполнена на кафедре оптики и биофотоники Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского. Основные результаты представлены на 13 всероссийских и международных научных конференциях:

• Всероссийская конференция "Фотоника органических и гибридных наноструктур", Черноголовка, Россия (5-9 сентября 2011г);

• Ежегодная "Международная молодёжной научной школе по оптике, лазерной физике и биофотонике" (International School for Junior Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophotonics Saratov Fall Meeting - SFM), Саратов, Россия, 2010, 2011, 2012 г.;

• "Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике", Самара, Россия, 2009, 2011 г.;

• Международный симпозиум "Нанофотоника-2011", Кацивели, Крым, Украина (3-8 октября 2011 г.);

• 3-й Международный Симпозиум имени академика А.Н. Теренина "Молекулярная фотоиика", Санкт-Петербург, пос. Репино, Россия (24-29 июня 2012 г.):

• Международная молодежная научная школа «Современные биоинженерные и ядерно-физические технологии в медицине», Саратов, Россия (18 сентября 2012 г.);

• Международная конференция "PA12-Photonics Asia - Optics in Health Care and Biomedical Optics V", Пекин, Китай (4-7 ноября 2012 г.);

• Международная конференция "Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XVH", Сан-Франциско, США (2-7 февраля 2013 г.);

• Межд> народная конференция "V International Workshop on Nanoparticles. nanostructured coatings and microcontainers: technology, properties, applications", Гольм, Германия (6-9 мая 2013 г.);

• Международная конференция "ICONO/LAT 2013", Москва, Россия (18-22 июня 2013 г.);

• Международная конференция "Biophotonics - Riga 2013", Рига, Латвия (26-31 августа 2013 г.).

Структура и обьем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка, состоящего из 105 наименований. Работа изложена на 140 листах, включающая 2 таблицы и 57 рисунков.

Глава 1. Люминесцентные полупроводниковые наночастицы для биологических применений

1.1. Оптические характеристики наночастиц

Интерес к исследованию полупроводниковых наночастиц на основе полупроводниковых материалов связан с их свойствами, определяемыми эффектом размерного ограничения движения носителей зарядов. Одним из проявлений этого эффекта является зависимость спектральных свойств от размера, состава и структуры частиц. Изменяя размер, можно получить набор наночастиц одного и того же соединения, спектры люминесценции которых перекрывают весь видимый спектральный диапазон. Положение края зоны поглощения также зависит от размера, однако, для возбуждения люминесценции, можно выбрать область перекрытия спектров поглощения частиц разного размера и получать люминесценцию различной длины волны при одной и той же длине волны возбуждения. Наночастицы, как правило, обладают высоким квантовым выходом, значительным коэффициентом экстинкции, широким спектром поглощения и ярко выраженным узким пиком люминесценции в видимой части спектра (например, наночастицы СЖе, размером 7,5 нм люминесцируют в области 650 нм, но могут возбуждаться светом любой длины волны от УФ до верхней границы видимого спектрального диапазона) [1,2].

Можно выделить ряд свойств, обусловленных размером наночастиц, позволяющих применять их для разработки биосенсоров.

Одним из наиболее важных свойств полупроводниковых наночастиц является флуоресценция ввиду ее высокой чувствительности к окружению частицы, обеспечивающей чувствительность сенсора. По сравнению с органическими красителями, наночастицы обладают значительно более высокой эффективностью поглощения и излучения света. Молярные коэффициенты поглощения квантовых точек (0.5-5х106 М^см"1) приблизительно в 10-50 раз

больше по сравнению с органическими флуорофорами(5-10х104 М^см'1). В результате, использование квантовых точек в качестве флуоресцентных меток позволяет обеспечить высокую чувствительность обнаружения. Сопоставимость размеров наночастиц с размерами биологических макромолекул делает возможным их применение в биологических и медицинских приложениях [3]. К тому же наночастицы в несколько тысяч раз более устойчивы к фотообесцвечиванию, чем органические красители. Наночастицы обладают также фотохимической активностью и способны фотосенсибилизировать биохимические окислительно-восстановительные реакции [3].

Флуоресценция нанокристаллов может возникать как при рекомбинации носителей заряда (электрон-дырка), образованных возбуждающим светом, так и при локальных переходах в дефектах кристаллической решетки, в объеме частицы или на поверхности. Локальные дефекты, в свою очередь, могут быть примесными, например, в виде введенных ионов металла, или же собственными, включающими вакансии, бивакансии и т.д.

Наиболее часто для биосенсоров используется флуоресценция, возникающая вследствие рекомбинации подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Такие наночастицы, как говорилось выше, характеризуются узким и симметричным пиком флуоресценции, положение которого определяется их составом и размером. Такое поведение спектров флуоресценции происходит за счет того, что с уменьшением размера нанокристалла происходит увеличение ширины запрещенной зоны между дискретными уровнями энергии полупроводниковых наночастиц вследствие сдвига уровней, отвечающих возбужденным электронам, в область более высоких энергий. Это приводит к изменению длины волны рекомбинационной экситонной флуоресценции [4].

Характеристики люминесценции полупроводниковых нанокристаллов зависят не только от их размера и химического состава, но также и формы [5]. Например, для наностержней характерна поляризованная люминесценция, при этом Стоксов сдвиг зависит от аспектного соотношения [6].

Следует отметить, что люминесценция наночастиц вызванная рекомбинацией свободных носителей заряда сильно зависит и от состояния их поверхности. Это связано с возможностью диссипации энергии возбуждения с поверхности наночастицы в окружающую среду [7]. Ввиду того, что для наночастиц характерно наличие развитой поверхности, т.е. высокое значение отношения площади к объему, данный процесс имеет большую вероятность. В результате происходит тушение люминесценции вплоть до полного исчезновения, а также искажение ее спектральных характеристик.

Наличие дефектов в наночастицах кардинально влияет на свойства наночастиц. В нанокристаллах всегда содержится небольшое количество дефектов, соответствующее минимуму потенциальной энергии. Дополнительные дефекты возникают при различных воздействиях: нагреве, деформации, облучении наночастицами и др. Дефекты могут играть как положительную роль, так и отрицательную.

Так, для наночастиц сульфида кадмия, характерно наличие основных полос люминесценции пяти цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого и синего. Указанные полосы флуоресценции связывают с наличием дефектов, по крайней мере, трех типов: [К^Г У^]0, [У^ У с ¿У и [8]

Авторами [9] было проведено исследование кинетики флуоресценции и фотопроводимости чистых монокристаллов СЖ и было установлено, что центр рекомбинации, отвечающий за красную полосу (730 нм), представляет собой комплекс ПоЛоГ 5 Так как в результате синтеза получается поликристаллическая структура, что приводит к наличию подобных дефектов в пленках СЖ, что было доказано на основе данных рентгеноструктурного анализа [10]. Авторы [11], утверждают, что красная полоса люминесценции люминофоров С<£>—С/ (760—780 нм) обусловлена центрами типа ■ В работе [12]

образцы СЖ были дополнительно очищены от хлор- и кислородсодержащих примесей, а затем в исходный СЛБ вводили хлор в присутствии кислорода. В результате было показано, что в первом случае образцы CdS не люминесцируют

при комнатной температуре и обладают лишь краевым излучением при 77 К, а во втором случае в спектрах присутствуют полосы люминесценции с максимумами при 760 и 850 нм. Как было показано выше, природа первой полосы (760 нм) научно доказана. В качестве одного из вариантов модели центров люминесценции

другой полосы (850 нм) были предложены дефекты типа Однако

позднее [13] было доказано, что центры, ответственные за данную полосу фотолюминесценции, представляют собой комплекс типа и образуются

путем замещения кислородом вакансий серы. Зеленую полосу люминесценции CdS с длиной волны 530 нм часто связывают с дефектами связанного кислорода, захваченного поверхностью сульфида кадмия [14].

Однако, для биологических применений, необходимо, чтобы используемые частицы были стабильны в водной среде и сохраняли свои люминесцентные свойства достаточно длительное время в различных биологических средах. В связи с высокой поверхностной активностью, одной из проблем получения наночастиц с узким распределением по размерам, является склонность наночастиц к агрегации в водных растворах. Наиболее часто используемым решением в данном случае является стабилизация поверхности полученных люминесцентных наночастиц. Для этой цели применяются различные методики. В основном используется покрытие наночастиц органическими комплексами и полимерами. Поэтому практическое использование растворов наночастиц сопряжено не только с подбором оптимальных параметров синтеза (температура, значение pH, скорость перемешивания раствора), но и их стабилизацией (например, добавление стабилизаторов, покрытие слоем диэлектрика с большей величиной ширины запрещенной зоны [15], подбор растворителей и т.д.). Это позволяет предотвратить процесс агрегации и тушения флуоресценции полупроводниковых наночастиц и повысить их фотостабильность, что приводит к увеличению квантового выхода люминесценции. Например, для повышения эффективности флуоресценции поверхность наночастиц покрывают оболочкой из более широкозонного полупроводника. Наночастицы со структурой «ядро-оболочка» имеют высокий квантовый выход и фотохимически стабильны.

Увеличение квантового выхода происходит в результате того, что более широкозонный полупроводник выполняет роль пассиватора поверхностных состояний и локализует электрон-дырочную пару внутри ядра [16]. Например, частицы селенида кадмия покрывают слоем сульфида кадмия, наночастицы сульфида кадмия покрывают оболочкой сульфида цинка, что приводит к увеличению квантового выхода люминесценции и к смещению полосы поглощения в длинноволновую область [17]. Таким образом, оболочка нанообъектов со слоистой структурой позволяет реализовывать новые физико-химические свойства таких объектов, и защищать их от воздействия тушителей флуоресценции, находящихся в биологических средах. С другой стороны, оболочка уменьшает чувствительность к микроокружению, что затрудняет применение таких наночастиц для ряда биологических и медицинских задач (например, для разработки наносенсоров) [18].

Стабилизирующая оболочка может одновременно служить для адресного распознавания молекул заданного типа. Развитая площадь поверхности наночастиц позволяет расположить на ней большое количество различных функциональных групп, обеспечивающих связывание с различными диагностическими и терапевтическими агентами [19, 20].

Свойства люминесценции полупроводниковых наночастиц, обусловленной дефектами, также во многом зависят от состояния поверхности. Поверхностные дефекты могут выступать в роли ловушек для электронов и дырок, что приводит к возникновению длинноволновой флуоресценции наночастиц, имеющей широкий спектр. Нестабилизированные полупроводниковые наночастицы (Сс13е, СйТе, СйЙ* и т.д.) имеют относительно невысокую интенсивность флуоресценции. Например, для нестабилизированных наночастиц Сб/^е квантовый выход (КВ), как правило, не превышает 5% [21]. Однако, для частиц, люминесценция которых вызвана поверхностными дефектами, а не рекомбинационными процессами, следует ожидать большей чувствительности к изменениям окружающей среды. В этом случае тушение происходит из-за изменения структуры этих центров или уменьшения их количества. Таким образом, можно предполагать, что для

достижения высокой чувствительности сенсоров на основе полупроводниковых наночастиц необходимо наличие значительного количества поверхностных дефектов, не стабилизированных нанесением поверхностного слоя стабилизатора.

Совокупность свойств делает наночастицы идеальными флуорофорами для сверхчувствительного многоцветного детектирования биологических объектов, а также медицинской диагностики, требующей регистрации многих параметров одновременно. В работе [22] при помощи полупроводниковых наночастиц была достигнута маркировка мембранных рецепторов на поверхности живых клеток на уровне отдельных молекул. В настоящее время с помощью полупроводниковых наночастиц производят маркировку цитоплазматических структур для контроля скорости их роста и движения. В работе [20, 23, 24] подобные наночастицы использовали в качестве контрастных агентов в сосудистой циркуляции для идентификации метастатических включений.

В связи с уникальными свойствами подобных наноматериалов и перспективами их применения важной задачей является разработка и реализация воспроизводимой методики синтеза, позволяющей получать высоколюминесцентные наночастицы, максимально однородные по размерам, форме и кристаллической структуре.

1.2. Методы синтеза полупроводниковых наночастиц

В данной работе рассматриваются только химические методы синтеза, обусловленные реакциями, происходящими между растворенными в жидкости соединениями.

Жидкофазный метод получения полупроводниковых люминесцентных нанокристаллов включает три модификации: высокотемпературный синтез, ко-преципитация (соосаждение) и синтез в мицеллах.

1.2.1. Высокотемпературный синтез

Впервые высоколюминесцентные полупроводниковые нанокристаллы были получены в 1993 году [25] с использованием высокотемпературного органометаллического синтеза, который впоследствии стал основой различных методик синтеза высококачественных полупроводниковых нанокристаллов. Данный синтез заключается в смешении в органическом растворителе подходящего металлического или органометаллического прекурсора (таких как С<1, Ъа., РЬ) и соответствующего халькогена (8, Бе, Те) при высокой температуре. Однако, не смотря на практически бездефектную кристаллическую структуру и узкое распределение по размерам, полученные нанокристаллы характеризовались достаточно низкой величиной квантового выхода люминесценции и ее нестабильностью (не более 10 %). Это объяснялось двумя причинами. Во-первых, наличием различных поверхностных состояний, возникающих в результате присутствия нестехиометричных и ненасыщенных связей на поверхности кристалла и т.д. Подобные кристаллические дефекты, существующие на поверхности полупроводниковых нанокристаллов, выступают в роли «ловушек» носителей заряда, препятствуя их излучательной рекомбинации, что приводит к безызлучательным процессам, то есть потерям энергии возбуждения и интенсивности люминесценции. Во-вторых, наночастица характеризуется высокой активностью в связи с тем, что на ее поверхности находится значительно больше атомов, чем в объеме. Следовательно, поверхность легко пассивируется различными агентами, что также приводит к тушению люминесценции. Таким образом, важным моментом для формирования высоколюминесцентных полупроводниковых нанокристаллов является контроль поверхностных свойств, результатом чего явилось получение квантовых точек со структурой «ядро-оболочка», имеющих высокий квантовый выход и фотохимическую стабильность. Более широкозонный полупроводник выполняет роль пассиватора поверхностных состояний и локализует электрон-дырочную пару внутри ядра [16].

Например, как отмечалось выше, частицы селенида кадмия покрывают слоем сульфида кадмия, наночастицы сульфида кадмия покрывают оболочкой сульфида цинка, что приводит к увеличению квантового выхода люминесценции и к смещению полосы поглощения в длинноволновую область. В работе [26] ядра СЖе диаметром 3 нм, покрывали оболочкой Сс1Б толщиной 0,4 нм, в результате чего квантовый выход люминесценции вырос примерно в 6 раз и край полосы поглощения сместился в длинноволновую область на 20 нм. Покрытие нанокристаллов Сс1Бе оболочкой сульфида цинка также позволяет значительно повысить квантовый выход люминесценции [27]. В работе [27] было исследовано влияние оболочки 2пЗ на оптические свойства наночастиц Сс13е/2п3. Наибольший выход люминесценции достигается при толщине оболочки 1,3 нм, при дальнейшем увеличении оболочки, квантовый выход люминесценции уменьшается. Уменьшение квантового выхода при увеличении оболочки, авторы объясняют образованием дефектов в структуре оболочки.

Таким образом, нанообъекты могут иметь слоистую структуру, включающую дополнительные оболочки из полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, позволяющие реализовать новые физико-химические свойства таких объектов, или оболочки из органических молекул, обеспечивающие заданные гидрофобные/гидрофильные и функциональные свойства.

1.2.2. Синтез в мицеллах

Наиболее распространенным способом получения полупроводниковых наноструктур является синтез наночастиц в нанореакторах (пространственно-ограниченных коллоидных системах). В качестве нанореакторов наиболее часто используют микроэмульсии, обратные мицеллы, пленки Лэнгмюра-Блоджетт и т.д.

Преимущество синтеза частиц в нанореакторах заключается в том, что благодаря ограничению реакционной зоны, достигается высокая степень

монодисперсности синтезируемых наночастиц. Размер наночастиц не может превышать размер нанореактора.

Формирование пространственно-ограниченной реакционной зоны в коллоидных системах происходит, главным образом, в результате нековалентных (гидрофильных/гидрофобных, Ван-дер-Ваальсовых, электростатических) взаимодействий органических молекул между собой.

Наиболее распространены коллоидные нанореакторы, самособирающиеся в результате гидрофильных/гидрофобных взаимодействий. В данном случае молекулы, ограничивающие реакционную зону, должны являться амфифильными, то есть иметь неполярный (гидрофобный) «хвост», растворимый в неполярных растворителях, и полярную «голову» - функциональную группу, обладающую гидрофильными свойствами. При растворении в воде гидрофобные части таких молекул стремятся избегать контакта со средой и объединяются, формируя неполярный «островок» (часто сферической формы).

Самыми яркими амфифильными свойствами обладают молекулы и ионы поверхностно-активных веществ (ПАВ). На одном конце молекулы ПАВ имеют функциональные группы, способные к ионизации при растворении в воде, а на другом - длинный неполярный углеводородный радикал. В качестве примера можно привести додецилсульфат натрия С^НгзЗО^а4" - один из наиболее распространенных компонентов моющих средств. Попадая в воду, молекулы ПАВ, прежде всего, равномерно распределяются на ее поверхности, образуя мономолекулярный слой. В таком монослое полярная функциональная группа молекулы погружена в воду, а неполярный гидрофобный фрагмент обращен в воздух, что приводит к понижению поверхностного натяжения воды. После заполнения поверхности новые молекулы ПАВ переходят в объем растворителя, а при достижении определенной концентрации - критической концентрации мицеллообразования (ККМ), - начинают спонтанно образовывать межмолекулярные агрегаты (ансамбли).

В прямых мицеллах гидрофобные углеводородные фрагменты ПАВ ориентированы друг к другу внутрь мицеллы, а гидрофильные группы ПАВ

находятся в контакте с окружающей водной средой. Выше ККМ изменяются физические свойства молекул ПАВ (осмотические давление, плотность, солюбилизация, поверхностное натяжение, проводимость, самодиффузия).

В неполярных растворителях аналогичным образом возможно образование коллоидных структур, в которых углеводородные радикалы расположены по внешней нормали к поверхности, - так называемых обратных мицелл и обратных микроэмульсий (часто называемых микроэмульсиями типа «вода-масло», в противоположность эмульсиям «масло-вода» в системах, где полярная фаза преобладает над неполярной). Т.е. в обратных мицеллах гидрофильные группы образуют полярное «ядро», а гидрофобные «хвосты» обращены наружу.

Мицеллы ПАВ могут деформироваться и приобретать несферическую форму при увеличении концентрации. При этом структура мицелл может быть определена из геометрических параметров молекул ПАВ, таких как площадь сечения гидрофильного фрагмента ао, объем V и максимальная длина 1с алкильного радикала [28].

Геометрия агрегатов подчиняется следующим правилам:

V 1

# {„ ^ I - сферические мицеллы (1)

1 V 1

~ < —г < ~ - несферические мицеллы (2)

- < —— < 1 - везикулы и двухслойные мицеллы (3)

¿¡» а01с

л . V

<" оу -" °бРащенные мицеллы (4)

Возможно образование мицеллярных систем и на соприкасающейся с раствором твердой поверхности, например, пленок Ленгмюра-Блоджетт или адсорбционных слоев на границе раздела фаз. Следует заметить, что связанные нековалентными взаимодействиями молекулы в составе мицеллярных систем

находятся в постоянном движении. Для них характерно состояние динамического равновесия, включающее их непрерывное образование и распад.

Следует заметить, что динамичность границы раздела полярной и неполярной фаз позволяет осуществлять постепенный приток вещества в мицеллу, т.е. постепенно доставлять реагенты для проведения химической реакции в ее объеме. В результате появляется возможность объединить высокую полярность основной массы водной среды и, следовательно, возможность сохранения высокой скорости ионных реакций, с диэлектрическими и сольватационными свойствами неполярной системы. Таким образом, возможность накопления в объеме мицеллы активного компонента позволяет осуществлять контролируемое взаимодействие в пространственно-ограниченных условиях, т.е. в нанореакторе.

Часто мицеллярные системы называют микрогетерогенными. Принципиальное отличие таких сред от привычных гомогенных растворов состоит в возможности растворения в них как гидрофильных, так и гидрофобных молекул. При этом растворение вещества будет происходить только в одном из компонентов системы, то есть молекулы или ионы растворенного вещества будут взаимодействовать только с сольватирующей фазой, а не со всем объемом растворителя.

1.2.3. Синтез в обращенных мицеллах

Для химического синтеза наночастиц обычно применяют не прямые, а обратные мицеллы. В первую очередь это связано с природой получаемых наночастиц. Так, подавляющее большинство функциональных материалов представлено металлическими, ионными, полярными или сильно поляризуемыми соединениями, хорошо сольватируемыми водой. Реагенты, необходимые для синтеза таких систем обычно являются водорастворимыми, что делает использование водной среды предпочтительным.

В обратных мицеллах водная фаза содержится в замкнутом объеме мицеллы, и соответственно, является пространственно-ограниченной.

В целом, метод синтеза наночастиц с использованием обратных мицелл может быть осуществлен одним из двух вариантов. Первый из них основан на смешении двух типов обратных мицелл, содержащих необходимые реагенты, при коалесценции которых происходит обмен материала в каплях, реакция и образование наночастиц в ядрах мицелл. В основе второго метода лежит реакция между веществом, растворенным в липофильной среде, и веществом, заключенным в обратной мицелле. В обоих случаях методика синтеза наночастиц включает приготовление мицеллярного раствора (система вода - углеводород -ПАВ) реагента в концентрации несколько мМ (или двух растворов для обменной реакции), и введение модификатора (или смешение реагентов), приводящее к образованию в ядрах обратных мицелл малорастворимых соединений -синтезируемых наночастиц. Примером таких реакций может быть получение наночастиц СЖ [29]. Наночастицы сульфида кадмия (Сс15) авторы статьи получали смешением растворов ацетата кадмия (С(1(СНзС00)2-2Н20) и тиомочевины (СЭОЧНгЬ)- К полученной смеси по каплям добавляли 25% водный раствор аммиака до значения рН 9,5. В качестве ПАВ использовали водный раствор цетилтриметиламмония бромида (ЦТАБ) С^К^ВгТЧ. Край фундаментального поглощения синтезированных наночастиц Сс1Б находился в области 475 нм.

В работе [30] синтез наночастиц СЖе проводили внутри обратных мицелл на основе ПАВ: диизооктил-сульфосукцината натрия (АОТ). Синтез наночастиц Сс13е проходил в растворах обратных мицелл АОТ/вода/я-гептан при средних диаметрах водного пула мицелл 22,27 и 45 А с использованием в качестве прекурсоров сульфата кадмия (СЖ04) и селеносульфата натрия (ТУа^еЯОз)-

Преимущество мицеллярного метода состоит в том, что синтез проходит при комнатной температуре, при этом наночастицы получаются значительно более однородными по размерам, чем в аналогичных водных коллоидных растворах, а также в возможности стабилизации наночастиц в процессе синтеза.

Мицеллярные оболочки обеспечивают стабилизацию НЧ, предотвращая их агрегацию. По сравнению с методом формирования коллоидных наночастиц в молекулярном растворе со стабилизатором, преимущество синтеза в обратных мицеллах заключается в наличии пространственного ограничения реакционной зоны (внутри пула мицелл действуют радиальные силы), и постепенном поступлении реагентов через мицеллярную мембрану. Оболочка мицеллы создает ограничения для роста агрегатов, позволяя получать частицы малых размеров.

Однако, средний размер частиц, синтезированных в мицеллярных растворах, достаточно часто превышает диаметр коллоидных реакторов, а сам раствор мутнеет с образованием осадка. Основной причиной этого является значительная динамическая подвижность мицеллярных стенок.

Альтернативным способом стабилизации наночастиц является введение в мицеллярный раствор веществ, координирующих поверхностные атомы частицы («cappingyy-diTQWioB), что предотвращает ее окисление и дальнейший рост.

Примером таких веществ в случае синтеза полупроводниковых наночастиц может выступать тиофенолатные ионы [31]. В работе [32] для синтеза наночастиц CdS. смешивали растворы нитрата кадмия и сульфида натрия и в роли «capping»-агента авторы использовали глюкозу.

Как правило, <<содрш£>>-агенты прерывают рост кластера путем ковалентного связывания с его поверхностью.

К факторам, влияющим на стабильность, размер и монодисперсность получаемых наночастиц, относят температуру, природу ПАВ (обычно выбирают ПАВ с наиболее низкой способностью к гидратации и низкой скоростью гелеобразования, например ПАВ с полиэтиленоксидной полярной частью, например, Triton Х-100) и соотношение вода/ПАВ, или степень гидратации (обычно степень гидратации составляет около 3-5, и играет наибольшую роль в случае формирования оксидных и гидроксидных наночастиц, когда их размер сильно зависит от гидролиза и гелеобразования).

В зависимости от концентрации поверхностно-активного вещества и степени гидратации возможно образование мицелл различной формы: сфер,

цилиндров, ламелей, сферолитов. Размер и форма нанореактора в свою очередь определяет соответствующие параметры синтезируемых наночастиц.

В последнее время огромную популярность приобрел метод синтеза наночастиц металлов и полупроводниковых соединений с использованием производных триоктилфосфина (ТОР) в качестве мицеллообразующих компонентов. Этот метод позволяет не только расширить температурный диапазон синтеза вплоть до 350°С, но и непосредственно использовать производные триоктилфосфина (например триоктилфосфинселенид, TOPSe) в качестве реагентов. Новый способ получения полупроводниковых наночастиц с использованием молекулярных прекурсоров был предложен Мурреем (Murray), Норрисом (Norris) и Бавенди (Bawendi). Таким способом они получали нанокристаллиты CdSe, поверхность которых покрыта три-н-октилфосфиноксидом (TOPO) [31]. Растворы Cd(CH^)2 и три-н-октилфосфинселенида (TOPSe) впрыскивали в горячий три-н-октилфосфиноксид (TOPO) при температуре 120 - 300 °С. Контроль размеров частиц осуществляли в основном варьированием температуры синтеза: при более высокой температуре образуются более крупные частицы.

В качестве среды (растворителя), в которой протекает синтез полупроводниковых нанокристаллов, как правило, используют три-N-октилфосфин ТОФ (кроме того, три-М-октилфосфиноксид, ТОФО), который является основанием с высокой температурой кипения. Его полярные фрагменты взаимодействуют с ненасыщенными атомами металлов на поверхности нанокристалла, тем самым предотвращая образование объемного полупроводника. Гидрофобные фрагменты алкильных радикалов при этом обращены во внешнюю среду. В результате сформированные наночастицы покрыты монослоем органических лигандов, и растворимы только в гидрофобных растворителях (таких как хлороформ или гексан). Так как в большинстве случаев наночастицы синтезируются гидрофобными, они не являются водорастворимыми и, как следствие, биосовместимыми, а также не имеют на поверхности функциональных групп, способных обеспечить взаимодействие с различными

биомолекулами. Таким образом, для дальнейших биомедицинских применений эти гидрофобные нанокристаллы необходимо сделать растворимыми в воде. Контроль размеров частиц осуществляется в основном варьированием температуры синтеза: при более высокой температуре образуются более крупные частицы. Было также установлено, что растущие поверхности нанокристаллитов имеют преимущественные направления роста, благодаря чему возможно образование несферических частиц, что, в свою очередь, позволяет получать полупроводники с уникальными физическими свойствами.

1.2.4. Синтез в микроэмульсиях

Микроэмульсии - термодинамически устойчивые, изотропные жидкие коллоидные системы, образующиеся самопроизвольно при смешении двух жидкостей с ограниченной взаимной растворимостью (например, вода и масло), стабилизованные межфазной пленкой поверхностно-активного вещества. От обратных мицелл микроэмульсии отличаются большим размером (диаметр микрокапель может достигать 100 нм) [28, 33]. Образование капель большего диаметра затруднено: при достижении критической концентрации масла в воде происходит расслоение системы. Свойства микроэмульсий во многом определяются размером и формой микрокапель диспергированной фазы, а также реологическими свойствами межфазных границ - адсорбционных слоев. Для получения твердых наночастиц обычно проводят смешивание двух идентичных (содержащих одно и то же ПАВ, с одинаковым соотношением вода-масло) обратных микроэмульсий, водные фазы которых содержат исходные реагенты, например, хорошо растворимые соли, дающие после реакции искомое малорастворимое вещество, или соль и восстановитель. Иллюстрацией может служить реакция получения СЖ из микроэмульсий, содержащих сульфат кадмия и сульфид натрия. При коалесценции микрокапель в результате ионообменной реакции в них происходит выпадение осадка сульфида кадмия.

Скорость взаимодействия реагентов и размер образующихся частиц определяются частотой столкновения капель и вероятностью коалесценции микрокапель. Частота столкновения капель зависит от скорости диффузии диспергированной фазы в углеводородной фазе, тогда как процесс обмена определяется взаимодействием адсорбционных слоев ПАВ и гибкостью межфазной поверхности. Например, было показано, что константа скорости межмицеллярного обмена увеличивается с увеличением длины цепи углеводорода.

Образование наночастиц в микроэмульсиях включает несколько стадий: броуновскую диффузию микрокапель, приводящую к их столкновениям; раскрытие адсорбционного слоя и коалесценцию; диффузию молекул реагентов; их взаимодействие и декоалесценцию с образованием новых микрокапель с наночастицами. Следует отметить, что взаимодействие реагентов в микрокаплях фактически не нарушает равновесия между фазами мицеллярного раствора. В целом, можно выделить ряд факторов, влияющих на протекание реакции получения наночастиц [28]. Это соотношение водной фазы и ПАВ в системе, природа ПАВ, структура и свойства стабилизированной водной фазы, размер капель, динамические свойства микроэмульсии, концентрация реагирующих веществ в водной фазе, и, естественно, температура.

В основе явления перколяции в микроэмульсиях типа «вода-масло» лежит процесс кластеризации (ассоциации) обратных мицелл, позволяющий ионам «перескакивать» с мицеллы на мицеллу при обмене веществом в процессе их кратковременного слияния [34, 35]. Возникающая вследствие переноса ионов электрическая проводимость микроэмульсии «вода-масло» возрастает на три-четыре порядка при изменении температуры [36].

Основным недостатком синтеза неорганических наночастиц в микроэмульсиях является широкое распределение получаемых частиц по размерам, что связано с высокой скоростью перестройки мицелл (порядка миллисекунд) по сравнению со скоростью протекания химических реакций.

Таким образом становится возможным образование наноструктур, размер которых превышает диаметр единичной мицеллы.

Как уже было сказано, наночастицы обладают повышенной реакционной способностью, что в первую очередь обусловлено нескомпенсированностью поверхностных связей, которая создаёт исследователям много проблем, связанных с защитой от агрегации.

Одним из способов получения и стабилизации наночастиц является использование матриц с нанопорами и каналами, размеры и геометрия которых могут изменяться в широких пределах нанотехнологическими средствами. Такие мезопористые матрицы, препятствуя агрегации наночастиц, служат как нанореакторы. При синтезе нанообъектов поры инертной матрицы заполняются одним из реагентов, после чего он приводится в контакт со вторым реагентом, обычно в жидкой или газообразной форме, инициатором (в случае полимеризации) или подвергается воздействию электрического тока (при электрохимическом синтезе). Регулирование размеров пор при создании искусственного пористого материала или выбор естественного пористого материала с узким распределением пор по размерам в требуемом диапазоне позволяет управлять размером синтезируемых частиц. Нанореакторы могут использоваться как для получения нанокомпозитов синтезируемого материала с материалом инертной матрицы, так и для получения изолированных нанообъектов, для чего материал матрицы подвергается селективному растворению.

Часто в качестве матриц используются пористые неорганические материалы - цеолиты (алюмосиликаты), силикагель, гидроксилапатиты. Наноструктуры формируются или адсорбцией паров исходного вещества в порах матрицы, или химическим превращением адсорбированных в порах веществ. Например, при использовании полиэтилена в качестве матрицы могут быть получены наночастицы металлов в пустотах матрицы. В данном случае наноструктуры металлов формируются при термическом разложении металлорганических соединений, адсорбированных в мезопористом полиэтилене [28].

1.2. 5. Синтез без стабилизации поверхности наночастиц

Одним из химических методов синтеза, позволяющих получать высокодисперсные полупроводниковые наночастицы без использования стабилизаторов, является метод контролируемого осаждения. Осаждение ведут при смешивании разбавленных водных растворов прекурсоров. Данный процесс включает в себя три стадии: формирование кристаллических зародышей, дальнейший их рост и созревание Оствальда [16, 37, 38]. Образование зародышей является самопроизвольным процессом. Как показано на рисунке 1, кристаллизация ионов растворенного вещества возникает в нестабильных участках перенасыщенного раствора.

Скорость образования зародышей пропорциональна относительному пресыщению раствора и может быть выражена уравнением:

и = к8 - к(Сп-Сн) / Сн, (5),

где к- коэффициент пропорциональности, Б- степень пересыщения, Сн-концентрация насыщенного раствора, Сп- концентрация пересыщенного раствора.

Из уравнения (5) видно, что чем больше разность (Сп-Сн) и чем меньше Сн, тем быстрее формируются зародыши, тем больше возникает центров кристаллизации и тем ближе по размеру оказываются коллоидные частицы к некоторому среднему значению. При образовании зародышей появляется новая поверхность раздела фаз.

- нуклеации

—— рост и ! СИЛЬНО У пересыщенного раствора

уровень насыщения

время-

РисуНОК 1 - Изменение концентрации конденсирующегося вещества на этапах нуклеации и роста из сильно пересыщенного раствора [16]

Этот процесс приводит к возрастанию свободной энергии системы пропорционально квадрату диаметра частиц. В то же время происходит снижение энергии системы за счет химического превращения, которое пропорционально диаметру кристаллитов, возведенному в кубическую степень.

где V - молекулярный объем осаждаемой фазы, г - радиус зародыша, кв -постоянная Больцмана, у - удельная поверхностная энергия.

Зависимость суммарного изменения свободной энергии системы от размера частиц имеет экстремум при критическом размере г* (рисунок 2).

йС

,тг3/ся Т1п5 4- 4>тг2

У

(6)

+АС

Д С

кр

-дс

Вклад поверхности 4лх2 о

ДС0= 4ЛГ2О-|тсг3ДС„ /

Вклад объема

Рисунок 2 - Схема формирования барьера нуклеации: а) увеличение свободной энергии за счет роста межфазовой поверхности, б) снижение свободной энергии за счет фазового превращения, в) результирующее изменение АО [39].

Максимальная свободная энергия равна энергии активации зародышеобразования. Для данного значения Б все частицы с размером большим г* будут расти, а все частицы с размером меньше г* будут растворяться. Как видно из приведенного уравнения большая степень пересыщения соответствует меньшему критическому размеру зародышей [39].

На стадии роста зародышей процесс образования кристаллической грани протекает с большой скоростью и зависит только от скорости диффузии. Поскольку процесс является диффузионным, основным параметром для его регулирования является температура [40]. Если предположить, что процесс роста грани является более медленным, чем процесс подвода вещества, изменение концентрации вещества имеет вид

1 = -клт садо

(7)

Тогда рост нанокристаллов сферической формы может быть описан следующим выражением:

•Ч ,

| = *( ^([са]0 - [сац - = кл - вг3)

* • (8)

На рисунке 3 показана кинетика роста наночастиц С<18е (экспериментальные данные и аппроксимация выражением для роста сферических наночастиц)

Время (с)

Рисунок 3 - Зависимость размера нанокристаллов Сй8е от времени роста [40]

После того как исходные реагенты израсходуются на рост наночастиц, начинается процесс, при котором крупные частицы продолжают расти за счет растворения более мелких - процесс созревания Оствальда. Это означает, что существует критический размер частиц, при этом частицы, обладающие меньшими размерами, растворяются, а частицы, обладающие большими размерами, растут. Критические размеры (в нашем случае критический радиус) не постоянны, и увеличиваются с уменьшением пересыщенности раствора.

Основным недостатком метода контролируемого осаждения является образование относительно крупных наночастиц с широким распределением по размерам. Для формирования высокодисперсных наночастиц необходимо добиться высокой скорости образования зародышей и малой скорости

дальнейшего их роста. Этот метод синтеза, как правило, предполагает прерывание химической реакции между компонентами раствора в определенный момент. Для получения наночастиц с узким распределением по размерам необходимо быстро прервать химическую реакцию после окончания процесса нуклеации и до начала стадии созревания Освальда, так как на этой стадии невозможно получить монодисперсные наночастицы. Прерывание химической реакцию на стадии нуклеации можно осуществить резким снижением температуры среды, путем скачкообразного увеличения рН раствора, сменой растворителя или стабилизацией поверхности наночастиц.

Метод контролируемого осаждения довольно часто применяют для синтеза полупроводниковых нанокристаллов. Например, из смеси растворов сульфида натрия (Ка28) и перхлората кадмия (Сё(С104)2) путем осаждения получают наночастицы сульфида кадмия СЖ:

Сс1(СЮл) 2 + ШгЗ = СЖ +2 ЫаСЮл.

Указанным методом синтеза также возможно получение наночастиц со структурой «ядро - оболочка», например Сс^Зе^пБ, ХпЗ/СйЗе [41].

При получении наночастиц путем осаждения из водных растворов особое внимание уделяют методам стабилизации частиц. Так как помимо достижения заданной дисперсности наночастиц, необходимо добиться стабильности раствора во времени [42]. Как правило, этой цели можно достигнуть за счет создания стабилизатором структурно - механического барьера на границе раздела фаз, препятствуя агрегации частиц [16].

Стабилизатор необходимо выбирать таким образом, чтобы помимо предотвращения агломерации наночастиц, он не препятствовал их диффузионному росту и обеспечивал достаточно высокую растворимость частиц. Кроме того, стабилизатор должен устранять ненасыщенные связи на поверхности наночастиц, наличие которых приводит к уменьшению интенсивности люминесценции.

1.2.5. Отработка методики целенаправленного влияния условий сиитеза на форму наночастиц

Проблемам получения наночастиц различного размера и формы, а также особенностям их организации и самоорганизации, в настоящее время уделяется много внимания.

Варьируя параметры синтеза, можно создавать наночастицы различной формы. Особый интерес представляют частицы несферической формы (наностержни, плоские частицы и т.п.), поскольку они обладают анизотропией оптических свойств [43]. Получение же анизотропных наночастиц - непростая задача, т.к. требует виртуозного понимания и оперирования термодинамикой и кинетикой химических реакций, приводящих к желаемому продукту. Чтобы целенаправленно получить несферические коллоидные металлические наночастицы, необходимо создать искусственно анизотропные условия роста.

Несферические наночастицы получают, синтезируя их в мономолекулярном слое на границе раздела двух фаз (полярной и неполярной). Как описывалось выше, подход заключается в формировании монослоя на границе раздела фаз растворов молекул прекурсоров. Монослой также может содержать молекулы поверхностно-активных соединений, участвующих в процессах роста и формирования наночастиц. Молекулы поверхностно-активных соединений в монослое избирательно блокируют грани роста растущих наночастиц и, тем самым, влияют на процессы их роста, открывая возможности для эффективного регулирования размера и формы получаемых наночастиц. Образование несферических наночастиц на границе двух фаз связано с тем, что наночастицы растут по плоскости, так как по толщине они блокируют контакт реагентов между собой.

Форма синтезируемых наночастиц часто соответствует форме нанореактора. В качестве примера можно привести наночастицы СаК", синтезированные в сферических и несферических мицеллах. В сферических мицеллах образуются сферические наночастицы. Наночастицы, синтезированные в несферических

мицеллах, имеют удлиненную форму. Форма мицелл зависит от типа и концентрации ПАВ [44].

При концентрациях ПАВ в водном растворе, несколько превышающих ККМ (критическая концентрация мицеллообразования), образуются сферические мицеллы (мицеллы Гартли). Диаметр таких мицелл равен удвоенной длине молекул ПАВ. Число молекул в мицелле быстро растет в пределах узкого интервала концентраций, а при дальнейшем увеличении концентрации практически не изменяется. При этом увеличивается число мицелл. Сферические мицеллы могут содержать от 20 до 100 молекул и более. Например, мицелла додецилсульфата натрия состоит в среднем из 73 молекул.

При концентрации ПАВ в растворах примерно в 10-50 раз больше ККМ, образуются мицеллы другого строения. По мере повышения концентрации раствора размер мицелл увеличивается, и углеводородные цепи располагаются в них все более и более параллельно друг другу. Сферические мицеллы превращаются в анизодиаметрические эллипсоидальные и цилиндрические, а затем палочкообразные, ленточные и пластинчатые мицеллы, состоящие из двух слоев молекул ПАВ, обращенных друг к другу углеводородными цепями, а ионогенными группами наружу. Эти мицеллы напоминают по своему строению двухмерный кристалл и могут иметь неограниченные размеры в двух направлениях.

1.3. Методы стабилизации полупроводниковых наночастиц

В процессе получения наночастиц всегда встает вопрос их стабилизации. Наночастицы размером 1-20 нм обладают высокой поверхностной энергией, и для них трудно подобрать действительно инертную среду [45], поэтому на поверхности каждой наночастицы всегда имеются продукты ее химической модификации, которые существенно влияют на свойства наноматериала. Поэтому главной задачей является повышение стабильности наночастиц. Это достигается применением разнообразных стабилизаторов, в качестве которых, первоначально

использовали как матрицы инертных газов при низких температурах, так и низкомолекулярные органические соединения (карбоновые кислоты, спирты, амиды, парафины и др.). Атомы большинства металлов стабилизируются при температуре 4-1ОК в инертных матрицах при разбавлении, например, аргоном в 1000 раз. Это метод матричной изоляции. Суть его - в накоплении веществ в условиях, в которых не происходят химические реакции. Так, в твердом инертном веществе при низких температурах матрица препятствует диффузии и активные частицы практически заморожены (стабильны) в среде, которая не способная с ними реагировать [46] .

В последние годы в качестве стабилизаторов часто стали применять синтетические полимеры [47]. Стабилизирующее действие поверхностно нанесенного полимера является следствием адсорбции макромолекул полимера на поверхности наноразмерных частиц (НРЧ) [48]. Взаимодействие защитного полимера с НРЧ может осуществляться двумя способами. Первый предполагает прикрепление макромолекул к поверхности частиц, например путем физической адсорбции. Под физической адсорбцией понимают процессы, обусловленные силами Ван-дер-Ваальса, дипольными взаимодействиями или слабыми, легко разрушающимися водородными связями. Нековалентное взаимодействие НРЧ с макромолекулой весьма слабо, порядка 10"4 Дж/м2. Процесс адсорбции полимеров можно условно разделить на два этапа: диффузию макромолекул к поверхности частиц дисперсной фазы и собственно адсорбция, которая определяется временем достижения равновесного состояния в полимерном слое. Второй способ основан на хемосорбции макромолекул из раствора. При этом независимо от формы макромолекул (развернутой или глобулярной), взаимодействие их с наночастицами определяется числом полярных групп адсорбированного полимера на единице площади поверхности. Причем важно, чтобы полимер не просто содержал определенное число полярных групп, а чтобы эти группы вступали в интенсивное взаимодействие с поверхностными атомами металла, например, выполняли роль доноров электронов. Чем более сильно выражены электроннодонорные свойства функциональных групп полимеров, тем выше их

адгезия к частицам дисперсной фазы. Полимерные цепи при хемосорбции могут образовывать ковалентные, ионные или координационные связи с атомами поверхностного слоя металла.

Необходимым условием для стабилизирующего действия высокомолекулярного соединения является достаточная активность (лиофильность) поверхности НРЧ по отношению к полимеру, образующему сильно упорядоченную адсорбционно-сольватную структурированную пленку на поверхности дисперсной фазы.

Зачастую исследователи стремятся стабилизировать наночастицы в процессе их получения, чтобы на выходе иметь продукт, постоянный по своим свойствам. В ходе химического синтеза наночастицы возможны два общих варианта. Первым является получение частиц, поверхность которых покрыта функциональными группами различной природы, наиболее часто для этих целей используются тиолы, карбоновые кислоты, полиакриловая кислота, полидиметилсилоксан и т.д. (частным случаем такой стабилизации является стабилизация в пленках Ленгмюра-Блоджетт и синтез наночастиц типа «ядро-оболочка»). Во втором случае используют методы, при которых происходит локализация наночастиц на поверхности носителей различной природы [49]. Первый подход хорош тем, что сохраняется возможность оперирования поверхностью наночастицы, которое может заключаться, например, в замене лигандов или дальнейшей поверхностной модификации, получении монослоев частиц и т.д. Во втором случае наночастицы с размерами десятков нанометров локализуются на поверхности гранул различной природы, имеющих характеристический размер порядка сотни нанометров. Это препятствует их агломерации с соседними наночастицами.

Отдельный интерес представляет класс композиционных материалов, представляющий собой смесь наночастиц и органических полимеров. Подобные материалы демонстрируют перспективные электрические, оптические, магнитные и механические свойства, обусловленные не только индивидуальными особенностями наночастицы и полимеров, но и взаимодействиями на границе

раздела двух различных по своей природе материалов - неорганической и органической в супрамолекулярном масштабе. Отличие данного метода от выше описанного заключается в том, что полимер представляет собой основу образца, в котором синтезированы наночастицы, а не тонкий слой, нанесенный на поверхность частиц.

1.4. Использование наночастиц в биосенсорах

Биосенсоры находят самое широкое применение в медицине и биотехнологиях. Основными характеристиками биосенсора является его чувствительность, время отклика, предел обнаружения, линейный диапазон регистрации, селективность и время его жизни - чувствительность биосенсоров со временем уменьшается из-за деструкции биологического материала. В свою очередь время жизни зависит от условий хранения и эксплуатации датчика (температуры, рН).

Биосенсоры состоят из двух компонентов: системы биохимического распознавания (биоселектирующей мембраны) и преобразователя первичного сигнала (трансдъюсера), который трансформирует концентрационный сигнал в регистрируемый (ток, напряжение, цвет, интенсивность свечения и т.д.). Трансдьюсерами могут быть электрохимические преобразователи (электроды), различного рода оптические преобразователи, гравитационные, калориметрические, резонансные системы.

Наличие в устройстве биоматериала с уникальными свойствами позволяет с высокой селективностью определять нужные соединения в сложной по составу смеси, не прибегая ни к каким дополнительным операциям, связанным с использованием других реагентов, концентрированием и т.д. (отсюда и название -безреагентные методы анализа).

Также как и для химических сенсоров, для биосенсоров существует большое разнообразие физических преобразователей: электрохимические, спектроскопические, термические, пьезоэлектрические и т.п. Все виды

биоселектирующих элементов можно комбинировать с различными трансдьюсерами, что дает большое разнообразие различных типов биосенсоров.

В настоящее время наибольшее распространение получили электрохимические и оптические преобразователи. Электрохимические генерируют потенциал на специальном электроде, на поверхность которого нанесен слой биоматериала, или же генерируют электрический ток реакции продукта превращения определяемого вещества на поверхности электрода, вызванного биоматериалом. Другими словами, существуют потенцио- и амперометрические биосенсоры. Принцип работы такого биосенсора заключается в следующем: определяемое вещество диффундирует через мембрану в тонкий слой биокатализатора, в котором и протекает ферментативная реакция. Продукт ферментативной реакции определяется при помощи электрода, на поверхности которого закреплен фермент [50].

Остановимся более подробно на оптических биосенсорах.

Оптические сенсоры являются одной из важнейших категорий химических сенсоров. Чаще всего оптические химические сенсоры классифицируются в зависимости от типа принципов их действия: датчик поглощения, датчик отражения, датчик люминесценции, комбинированный датчик и др. При этом используются зависимости оптических свойств сред (коэффициентов преломления, отражения и др.) от концентрации определяемых веществ.

В зависимости от типа оптических сенсоров их действие основано на следующих принципах [50]:

• поглощении света

Зависимость спектров вещества от его агрегатного состояния, концентрации, толщины слоя и других факторов, позволяет проводить качественные и количественные исследования состава вещества или его состояния.

• отражении первичного (падающего) светового потока

Характер отражения зависит от свойств сред и размеров неровностей на границе раздела этих сред. Интенсивность отраженного света определяется

электронным строением атомов, молекул и ионов в поверхностном слое вещества, процессами поглощения и многократного рассеяния в нем, а также зависит от длины волны падающего света. Это позволяет использовать эффект отражения для исследования состава и строения поверхностных слоев твердого тела и мутных сред, а также идентифицировать адсорбированные соединения. Для исследования тонких пленок используется метод нарушенного полного внутреннего отражения, основанного на отражении, например, ИК-излучения на границе двух сред, находящихся в оптическом контакте (на расстоянии порядка действия молекулярных сил). В этом случае вещество поглощает свет характеристических длин волн и отражает в остальной части спектра.

• люминесценции.

Наиболее чувствительными оптическими биосенсорами являются люминесцентные, ввиду отсутствия фона и значительного соотношения сигнал/шум.

Люминесцентные биосенсоры имеют ряд преимуществ по сравнению с другими сенсорами: высокое быстродействие, чувствительность, химическая и термическая устойчивость, нечувствительность к электромагнитным и радиационным помехам; довольно точны; обладают небольшими размерами, относительно низкой стоимостью.

В состав люминесцентных биосенсоров входят два основных элемента. Первый элемент имеет выраженную люминесцентную активность, т.е. ярко светится под действием возбуждающего света. Такой элемент называют сигнализатор. Второй элемент делают выборочно чувствительным к химическому или биохимическому веществу, наличие которого надо обнаружить и определить его концентрацию. Этот элемент называют распознаватель. Часто с этой целью используют молекулы природных биохимических ферментов (энзимов). В составе сенсора эти два фрагмента взаимодействуют таким образом, что, присоединение к распознавателю анализируемого вещества приводит к уменьшению или, наоборот, к увеличению люминесценции сигнализатора. По изменению

интенсивности люминесценции сенсора можно определять наличие и концентрацию аналита.

В качестве "люминесцентных маркеров" в оптических нанобиосенсорах выступают наночастицы. Регистрация их люминесценции производится визуально и фотоэлектрическим способом.

В настоящее время люминесцентные биосенсоры на основе полупроводниковых наночастиц широко применяются для определения концентрации глюкозы, обнаружения небольших молекул, контроля ДНК-гибридизации, оценки взаимодействия комплекса белок-лиганд, изменения ферментативной активности, определения рН, температуры. Тем не менее, остаются неизученными многие факторы, регулирующие поведение биологических систем.

1.4.1. Биосенсоры для определения рН среды

Полупроводниковые наночастицы, как правило, не чувствительны к большинству биологических и химических агентов. Это позволяет создавать, при помощи сенсибилизации поверхности наночастиц к заданным молекулам, селективные наносенсоры, избирательно реагирующие на параметры микросреды, например, рН, или же на концентрацию молекул заданного типа.

В работе [51] авторами описан механизм работы сенсора на полупроводниковых нанокристаллах CdSe/ZnS. Механизм работы наносенсора основан на изменении отношения интенсивности полос флуоресценции нанокристалла (CdSe/ZnS) и красителя (рН - чувствительный сквареновый краситель), в результате резонансного переноса энергии (FRET) от CdSe/ZnS к красителю (рисунок 4).

FRET

Рисунок 4 - Механизм работы сенсора на полупроводниковых нанокристаллах CdSe/ZnS [51]

Наночастицы CdSe, покрытые оболочкой ZnS с присоединенными лигандами триоктилфосфиноксида были инкапсулированы в полимерную оболочку (полиакриловая кислота), сопряженную с красителем. Сквареновый краситель присоединялся к полимерной цепи через эфирные связи с помощью 1-этил-З-(З-диметиламинопропил) карбодиимида, в качестве молекулы-спейсера.

В том случае, когда процесс резонансного переноса энергии от CdSe/ZnS к красителю не эффективен, наблюдается подавление полосы флуоресценции красителя - интенсивность флуоресценции CdSe/ZnS максимальна. При уменьшении значения рН ниже порогового, сечение поглощения красителя увеличивается, и FRET от CdSe/ZnS к красителю становится более эффективным, следовательно интенсивность флуоресценции красителя увеличивается, а нанокристаллов уменьшается Наибольшее значение интенсивности флуоресценции красителя происходит вблизи рКа красителя.

Авторами [52] были синтезированы квантовые точки структуры «ядро-оболочка» CdSe-ZnS, поверхность которых была модифицирована органическими лигандами, способными изменять интенсивность люминесценции квантовых точек в зависимости от концентрации гидроксил-ионов в окружающем растворе. В структуру указанных лигандов входит [1,3]оксазиновое кольцо, которое вступает в реакцию с гидроксил-ионами как нуклеофильным реагентом с

образованием хромофорного соединения 4-нитрофенилазофенолята. Данное превращение активирует перенос энергии от квантовых точек к адсорбированному на поверхности хромофору. Интенсивность люминесценции наночастиц существенно уменьшается в присутствии гидроксил-ионов. В работе показано, что изменение рН от 7.1 до 8.5 приводит к 35% снижению интенсивности люминесценции наночастиц.

В работе [53] описан механизм работы внутриклеточного рН-биосенсора на наночастицах Сс15е/2п8е/7м8, покрытых меркаптоуксусной кислотой (МАА). В кислой среде происходит эффект тушения флуоресценции наночастиц Сс1&е/2п8е/2п8, покрытых меркаптоуксусной кислотой (МАА). Увеличение рН от 4 до 10 внутри клетки приводит к пятикратному увеличению интенсивности флуоресценции наночастиц (рисунок 5, 6).

Рисунок 5 - Флуоресценция наночастиц Сс1$е/2п8е/2пЗ, покрытых меркаптоуксусной кислотой (МАА) (длина волны возбуждения флуоресценции наночастиц 400 нм) [53]

540 560 580 600 620 640 660

X. нм

О 1 11

3 4 5 6 7 8 9 10 11

рН

Рисунок 6 - Влияние изменения значений рН на флуоресценцию наночастиц СйЗе/ТпБе/ХпБ^ покрытых меркаптоуксусной кислотой (МАА) [53]

1.4.2. Нанобиосенсоры для определения концентрации глюкозы

Большинство нанобиосенсоров ориентированы на анализ биологических жидкостей. Задача заключается в том, чтобы быстро и количественно определить концентрацию нужного соединения, например глюкозы. В настоящее время для определения концентрации глюкозы создано большое число различных методик, что связано с необходимостью контроля содержания сахара в биологических жидкостях, например в крови, при диагностировании и лечении различных заболеваний, прежде всего диабета.

Среди стандартных оптических методик определения концентрации глюкозы, наиболее часто применяемой методикой, является глюкооксидазная. Фермент глюкооксидаза представляет собой флавопротеид, в котором белок соединен с двумя молекулами флавинадениндинуклеотида (ФАД). Он окисляет глюкозу с образованием в результате глюконовой кислоты и обладает практически абсолютной специфичностью по отношению к глюкозе. Суммарное уравнение имеет следующий вид:

Глюкоза + Н20 + Ог = глюконовая кислота + Н202

Глюкозооксидаза высокоспецифична по отношению к (З-О-глюкозе. В водных растворах глюкоза находится в А,-форме (36%) и р-форме (64%). Окисление глюкозы при участии глюкозооксидазы требует превращения А,- в (3-форму.

Работа стандартных оптических глюкометров с использованием глюкооксидазы основана на изменении насыщенности цвета сенсора. Процесс протекает в две стадии: на первом этапе происходит окисление глюкозы до глюконовой кислоты при участии фермента глюкозооксидазы. Второй этап, включает пероксидазную реакцию. При этом пероксидаза стимулирует образование атомарного кислорода из перекиси водорода. Кислород, в свою очередь, окисляет содержащийся в сенсоре краситель, изменяя его цвет.

Использование наночастиц позволяет исключить двухстадийность процесса. Известно, например, что в присутствии перекиси водорода происходит тушение люминесценции наночастиц. Как следствие, интенсивность люминесценции наночастиц пропорциональна содержанию глюкозы в крови.

В биосенсорах с использованием глюкооксидазы характеристикой концентрации глюкозы может быть количество атомов кислорода (кислород может выступать в качестве динамического тушителя люминесценции), концентрация перекиси водорода (которая также может выступать в качестве тушителя люминесценции) или изменение рН (значение рН влияет на активность глюкооксидазы, а также рН снижается, в результате преобразования глюконолактона до глюконовой кислоты [54, 55]. Немалую роль в работе сенсоров на концентрацию глюкозы играет температура. Температура влияет на скорость затухания и интенсивность флуоресценции, частоту столкновений молекул кислорода с флуорофором и коэффициент диффузии кислорода.

Известно, что эффект тушения люминесценции перекисью водорода наблюдается, например, для полупроводниковых частиц сульфидов металлов [56].

В работе [56] авторами проведены исследования способности различных органических и неорганических веществ приводить к тушению флуоресценции квантовых точек СсГГе. Показано, что перекись водорода эффективно тушит люминесценцию наночастиц. Постепенное добавление перекиси водорода к взвеси наночастиц приводит к уменьшению интенсивности люминесценции. Добавление перекиси водорода не приводит к агрегации наночастиц, так как спектры поглощения при этом не изменились. Определение концентрации глюкозы проводилось добавлением ее к раствору наночастиц Сс1Те в присутствии глюкооксидазы (370 Ед/мл), разведенной в боратном буфере (рН = 9.18) (рисунок

Б-глюкоза *

!С0х|

Б-глюконолактон « О.

наночастины СсГГе

£ •з

г

Рисунок 7 - Вероятный механизм работы сенсора на глюкозу на полупроводниковых нанокристаллах Сс/Бе^пБ [56]

1.4.2.1. Механизмы тушения люминесценции наночастиц в присутствии перекиси водорода

Существует несколько механизмов изменения люминесценции полупроводниковых наночастиц. Сами по себе наночастицы не взаимодействуют с глюкозой, следовательно, не могут применяться для распознавания ее концентрации.

Для наночастиц со стабилизированной поверхностью, в качестве одного из механизмов предполагается окисление молекул оболочки с удалением продуктов окисления, приводящим к уменьшению экранирования поверхности и снижению эффективности люминесценции. Такой механизм рассматривается, в частности, для наночастиц СсГГе, покрытых тиогликолевой кислотой [57], или частиц СйТе1Сй$, покрытых меркаптопропионовой кислотой [58]. Эффект тушения флуоресценции наночастиц, взвешенных в водном раствора глюкооксидазы, происходит благодаря образованию перекиси водорода вследствие окисления глюкозы в присутствии глюкооксидазы. При этом концентрация перекиси водорода пропорциональна концентрации глюкозы. Показано, что уменьшение люминесценции наночастиц определяется изменением концентрации глюкозы в пределе 1.8|дМ -1тМ с пределом обнаружения 1.8 р,М при оптимальных условиях эксперимента. При последовательном дозированном введении перекиси водорода в рабочий раствор интенсивность люминесценции наночастиц С^/Ге/СЖ постепенно уменьшалась. Авторы [58] предполагают наличие двух механизмов. Один из механизмов тушения флуоресценции наночастиц в присутствии перекиси обусловлен тем, что тиогруппы меркаптопропионовой кислоты, покрывающие поверхность наночастиц посредством связи Сс1-3, легко окисляются с образованием органических продуктов дисульфида (Я^-ЯЯ). В результате отдельные молекулы кислоты отрываются от поверхности КТ, что приводит к тушению флуоресценции квантовых точек. Другой механизм тушения основан на реакции с переносом электрона между КТ и Н202. Когда Н202 попадает на поверхность КТ, сразу происходит перенос электрона, и Н202 уменьшается до 02, который лежит в электронных и дырочных ловушках на квантовых точках и может быть использован как хороший акцептор, образуя нефлуоресцирующий анион КТ (рисунок 8).

Предлагается также механизм, основанный на обратимом захвате электрона перекиси водорода наночастицей с образованием нефлуоресцирующего в исследуемой области аниона О- , локализованного в области анионной вакансии [59, 60]. Для наночастиц С^е/^Я, используемых в качестве сенсоров,

люминесценция носит рекомбинационный характер, и тушение люминесценции вызвано уменьшением концентрации созданных возбуждающим излучением носителей заряда.

В то же время, при использовании одновременно глюкооксидазы и пероксидазы предлагается определение концентрации глюкозы по увеличению интенсивности люминесценции глюкоооксидазы вследствие резонансного переноса энергии от наночастицы на фермент [61].

При этом возможно также непосредственно тушение люминесценции фермента. Глюкооксидаза люминесцирует в области 450-550 нм с максимумом на 490 нм. Интенсивность люминесценции падает на 20% при добавлении глюкозы концентрацией 32 мМ [62].

Рисунок 8 - Вероятный механизм работы сенсора на глюкозу на полупроводниковых нанокристаллах Сс1Те/Сс18 [58]

Возможно также создание биосенсоров на основе тушения люминесценции примесных люминесцирующих дефектов [63]. В данной работе описывают биосенсоры на основе люминесцирующих наночастиц диоксида кремния со встроенными комплексами европия. Взаимодействие европия с глюкозой приводит к вытеснению с поверхности наночастиц молекул воды, которые тушат флуоресценцию металла. Механизм тушения основан на безызлучательном

/" «Г { V * :

Глюконовая кислота

Глюкоза

переносе энергии с долгоживущего возбужденного состояния D5 европия на ближайшие низкоэнергетические осцилляторы О-Н и N-H [64]. В результате взаимодействия с глюкозой происходит увеличение люминесценции наночастиц, и по изменению интенсивности люминесценции можно довольно точно определять концентрацию глюкозы.

Глюкооксидаза чаще других ферментов применяется для определения концентрации глюкозы [65]. Однако существует ряд других лигандов, пригодных для связывания глюкозы и ее обнаружения. Одним из таких лигандов для связывания глюкозы в водной среде является борная кислота [66]. В данной работе были синтезированы наносенсоры на основе наночастиц золота, модифицированных каликсаренами и фенилборной кислотой. Известно, что фенилборная кислота образует стабильные боратные комплексы с глюкозой [67]. При образовании боратного комплекса с глюкозой происходит агрегация золотых наночастиц, которая сопровождается батохромным сдвигом максимума поглощения в спектре. Линейный диапазон регистрации для глюкозы 5-100 нМ с фосфатным буфером (pH 10) нижний предел обнаружения равен 4,3 нМ [67].

Еще одним механизмом изменения интенсивности люминесценции наночастиц при наличии в образце глюкозы является резонансный перенос энергии FRET (fluorescence resonance energy transfer) от конъюгированных с конканавалином А (СопА) квантовых точек CdTe (донор) на модифицированные тиолированными ß-циклодекстринами наночастицы золота (акцептор). Конканавалин А (СопА) представляет собой растительный лектин, способный образовывать нековалентную связь с некоторыми углеводами. ß-Циклодекстрин и глюкоза обладают способностью связываться с СопА, однако глюкоза при этом проявляет относительно наибольшую способность к связыванию, конкурируя с ß-циклодекстринами за связывающие центры лектина (конканавалина А). Таким образом, глюкоза замещает донорный фрагмент наносенсора, что приводит к восстановлению интенсивности флуоресценции акцептора. Образование комплекса с глюкозой приводит к аллостерической модификации компонентов сенсора и генерированию флуоресцентного сигнала [68, 69].

1.4.3. Температурные наносенсоры

Одной из областей использования наночастиц является применение их в качестве термометров для определения температуры с микронным пространственным разрешением. Определение температуры производят по температурозависимому изменению люминесцентных характеристик наночастиц. В качестве таких характеристик может использоваться изменение интенсивности люминесценции вследствие температурного тушения [70, 71,72]. Другим методом измерения температуры может быть определение по смещению спектральной полосы, т.к. для ряда наночастиц положение и величина спектрального максимума флуоресценции зависит от температуры окружающей среды [73, 74]. По значению спектрального сдвига полосы флуоресценции можно определить температуру их окружения. Сопоставимость размеров наночастиц и биологических макромолекул делает возможным применение наночастиц в биологических и медицинских приложениях, в которых использование традиционных органических флуорофоров ограничено недостаточной фотостабильностью.

Существует ряд исследовательских работ, посвященных возможности применения наночастиц в качестве нанотермометров для определения температуры внутри отдельной клетки [71, 73]. Широко распространено применение биметаллических наносенсоров, получаемых нанесением тонкого слоя одного металла на поверхность другого методами осаждения из газовой фазы и литографии [75]. Наносенсоры такого типа обладают очень высокой чувствительностью и способны зафиксировать изменение температуры в 0,001 °С.

Существует термометр на основе многостенной углеродной нанотрубки с галлием. По своей конструкции термометр напоминает ртутный, но вместо ртути используется жидкий галлий, а вместо стеклянной трубки - углеродная нанотрубка, диаметр которой составляет 150 нм [75]. Температурный диапазон нанотермометра данного типа составляет 50-550°С. Недостатком такого

нанотермометра является необходимость электронного микроскопа для считывания показаний температуры.

Появляется ряд работ, в которых для создания температурных наносенсоров используются полупроводниковые наночастицы (например, Сс1Бе, Сс1Те) [76]. Значения температуры определяются по изменению интенсивности и по смещению максимума флуоресценции наночастиц.

В работах [77] показано, что при нагреве образца с наночастицами Ссйе (средний размер частиц 4 нм) и Сс1Те (средний размер частиц 3,6 нм) при однофотонном и двухфотонном возбуждении, происходит смещение спектра флуоресценции частиц и одновременное снижение ее интенсивности (более ярко выраженное при двухфотонном возбуждении). Зависимость смещения максимума флуоресценции наночастиц ОЙе от температуры носит линейный характер. При нагреве образца с наночастицами Сс18е [81] на 2 5°С при однофотонном возбуждении, величина смещения спектра флуоресценции частиц в длинноволновую область составила 5 нм (рисунок 9 а, 10).

6 0 0 6 5 0 7 0 0

X. НМ

а) б)

Рисунок 9 - Спектры флуоресценции наночастиц Сс1Те, полученные при двух различных температурах а) при однофотонном возбуждении, б) при двухфотонном возбуждении [77]

Величина смещения максимума флуоресценции наночастиц при двухфотонном возбуждении при увеличении температуры составила 0,16 нм /1°С для наночастиц Сс1Бе (рисунок 9 б), для наночастиц СсИе - 0,3 нм /1 °С (рисунок 9

Смещение максимума флуоресценции наночастиц СёТе при двухфотонном возбуждении при увеличении температуры наблюдалось и авторами работы [78]. Средний размер наночастиц Сс1Те составлял 1 нм, а их чувствительность 0.25 нм/ С (рисунок 11).

Рисунок 10 - Спектры флуоресценции наночастиц СсГГе при двухфотонном возбуждении, полученные при двух различных температурах [77]

X. нм

Рисунок 11 - Спектры флуоресценции наночастиц СсГГе, при двухфотонном возбуждении, полученные при двух различных температурах [78]

По мнению авторов, смещение спектров флуоресценции наночастиц при изменении температуры связано с рядом явлений, таких как термоиндуцированное изменение ширины запрещенной зоны наночастиц, изменение квантового выхода излучающих уровней, тепловое расширение частиц, а также термически индуцированное изменение показателя преломления растворителя, а также от их размера.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Волкова, Елена Константиновна

Выводы к главе 4

1) Показано, что люминесценция наночастиц 1пСс1Б является чувствительной к температуре, как по интенсивности, так и по спектральному положению максимума люминесценции, Изменение обусловлено искажением энергетических состояний поверхностных люминесцирующих дефектов. Агрегация наночастиц не вносит искажений в полученные зависимости. Чувствительность к температуре выше для наночастиц, покрытых слоем полиакриловой кислоты.

2) Показано, что, для наночастиц 2пСс18 с нестабилизированной поверхностью, и стабилизированной пористым слоем полиакриловой кислоты, при образовании перекиси водорода вследствие окисления глюкозы с участием глюкооксидазы, наблюдается тушение люминесценции поверхностных центров люминесценции в результате захвата ионов кислорода катионными вакансиями. Линейная зависимость Штерна-Фолмера не имеет порога в пределах исследованных концентраций глюкозы. Максимальная чувствительность получена для стабилизированных наночастиц, и составляет 12.2 мл/мг при концентрации фермента 2 Ед/мл. Наличие пероксидазы приводит к возникновению порога чувствительности величиной 160 цМ.

3) Показано, что использование наночастиц разного размера позволяет определять пути диффузии наночастиц в кожу.

4) Показано, что положение спектрального максимума люминесценции наночастиц 2пСс18 является чувствительным к окружению. По нашему предположению смещение положения максимума люминесценции наночастиц 2пСс18, помещенных в мышечную ткань, обусловлено чувствительностью частиц к наличию ионов Са . В процессе нагрева биологических образцов спектр люминесценции наночастиц смещается в ИК-область. Зависимость положения максимума люминесценции наночастиц от температуры нагрева является линейной до температуры денатурации биоткани. Скорость изменения положения максимума 0.459±0.035 нм. После денатурации биоткани, положение максимума люминесценции наночастиц перестает зависеть от температуры

Заключение

1) Разработан алгоритм и программная реализация метода коррекции искажений спектров возбуждения люминесценции, вызываемых рассеянием и перепоглощением излучения в образце.

2) Использование разработанной нами методики коррекции спектров возбуждения нанокомпозитных образцов позволяет более точно определить положение и форму полос возбуждения.

3) Применение разработанной нами методики коррекции спектров возбуждения дает возможность выявления особенностей спектров, таких как экситонные полосы возбуждения, маскированных рассеянием возбуждающего света и люминесценции в образце.

4) Разработаны методики низкотемпературного и высокотемпературного синтеза наночастиц СЖ

5) В наших экспериментах, при синтезе наночастиц в водных мицеллярных растворах, концентрация додецилсульфата натрия в растворах превышала концентрацию ККМ, поэтому наночастицы получались сферической формы.

6) Исследовано влияние условий синтеза на форму и характеристики наночастиц. Из анализа полученных спектров поглощения наночастиц СЖ следует, что положение края поглощения наночастиц смещается с течением времени синтеза (высокотемпературный синтез) и в зависимости от концентрации ПАВ. Увеличение времени воздействия ультразвука на образец приводит, для спектров диффузного отражения, к коротковолновому смещению края поглощения, расположенного в области 300-350 нм

7) Разработаны методики синтеза смешанных наночастиц 2пСс18 с повышенным выходом люминофора, имеющие высокую интенсивность люминесценции в области 640 нм.

8) Разработаны способы целенаправленного влияния условий синтеза на форму наночастиц с целью получения плоских или иглообразных частиц. Показана возможность получения анизотропных наночастиц СЖ (на границе раздела двух фаз).

9) Показано, что люминесценция наночастиц 2пСс18 является чувствительной к температуре, как по интенсивности, так и по спектральному положению максимума люминесценции. Изменение обусловлено искажением энергетических состояний поверхностных люминесцирующих дефектов. Агрегация наночастиц не вносит искажений в полученные зависимости. Чувствительность к температуре выше для наночастиц, покрытых слоем полиакриловой кислоты.

10) Показано, что, для наночастиц 2пСс18 с нестабилизированной поверхностью, и стабилизированной пористым слоем полиакриловой кислоты, при образовании перекиси водорода вследствие окисления глюкозы с участием глюкооксидазы, наблюдается тушение люминесценции поверхностных центров люминесценции в результате захвата ионов кислорода катионными вакансиями. Линейная зависимость Штерна-Фолмера не имеет порога в пределах исследованных концентраций глюкозы. Максимальная чувствительность получена для стабилизированных наночастиц, и составляет 12.2 мл/мг при концентрации фермента 2 Ед/мл. Наличие пероксидазы приводит к возникновению порога чувствительности величиной 160 цМ.

11) Показано, что использование наночастиц разного размера позволяет определять пути диффузии наночастиц в кожу.

12) Показано, что положение спектрального максимума люминесценции наночастиц является чувствительным к окружению. По нашему предположению смещение положения максимума люминесценции наночастиц 2пСй8, помещенных в мышечную ткань, обусловлено чувствительностью частиц к наличию ионов Са2*. В процессе нагрева биологических образцов спектр люминесценции наночастиц смещается в ИК-область. Зависимость положения максимума люминесценции наночастиц от температуры нагрева является линейной до температуры денатурации биоткани. Скорость изменения положения максимума 0.459±0.035 нм. После денатурации биоткани, положение максимума люминесценции наночастиц перестает зависеть от температуры

Список условных обозначений и сокращений

КТ - квантовые точки

ИК - инфракрасная область спектра

УФ - ультрафиолетовая область спектра

ПАВ - поверхностно - активное вещество

SDS - додецилсульфат натрия

РФА - рентгеновский фазовый анализ

АСМ - атомно - силовая микроскопия

ТЕМ (transmittion electron microscopy) просвечивающая электронная микроскопия

EXAFS (extended X-ray absorption fine structure) - дальняя (протяженная) тонкая структура рентгеновских спектров поглощения

МАА - меркаптоуксусная кислота

ТОФ - триоктилфосфин

ТОФО - триоктилфосфиноксид

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Волкова, Елена Константиновна, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1) Николенко Д.Ю., Бричкин С.Б., Разумов В.Ф. Неизотермический высокотемпературный коллоидный синтез наночастиц CDSE // Российские нанотехнологии. - 2009. - Т. 4, №11-12. - С.92-95.

2) Штыков С.Н., Русанова Т.Ю. Наноматериалы и нанотехнологии в химических и биохимических сенсорах: возможности и области применения // Рос. хим. журн. - 2008. - Т.52, № 2. - С.92-100.

3) Олейников В.А., Суханова A.B., Набиев И.Р.. Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы в медицине и биологии // Российские нанотехнологии, - 2007. - Т. 2, № 1 - 2. - С. 160-173.

4) Никандров В.В. Неорганические полупроводники в биологических и биохимических системах: биосинтез, свойства и фотохимическая активность. // Усп. биол. химии. - 2000. - Т. 40. - С. 357-396.

5) Nirmal M., Norris D. J., Kuno M., Bawendi M. G., Efros A. L. & Rosen M. Observation of the "Dark Exciton" in CdSe Quantum Dots // Phys. Rev Lett. - 1995. - V. 75, № 20. - P. 3728-3731.

6) Hu J. T., Li L. S., Yang W. D., Manna L., Wang L. W., Alivisatos A. P. Linearly Polarized Emission from Colloidal Semiconductor Quantum Rods // Science. - 2001. - V. 292. - P. 2060-2063.

7) Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства / А.И. Гусев. - издание Екатеринбург.: УРО РАН, 1998. - 198 с.

8) Майорова Т.Д., Клюев В.Г., Семенов В.Н., Болгова Т.Г., Наумов A.B. Люминесцентные свойства поликристаллических, пленок Сульфида

Кадмия легированных металлами. Первой // Вестник ВГУ, Серия: Физика. Математика, - 2005. - № 2. - С. 38-44.

9) Шейнкман М.К., Ермолович И.Б., Беленький Г. Л. Механизмы оранжевой, красной и инфракрасной фотолюминесценции в сульфиде кадмия и пара-метры соответствующих центров свечения. // Физика твердого тела.-1998.-Т.48, №9.- С. 1215-1220.

10) Семенов В.Н. Процессы формирования тонких слоев полупроводниковых сульфидов из тиомочевинных соединений: дис. д-ра хим. наук: 45Д/71 защита 27.06.02: утверждена 15. 11. 02 / В.Н. Семенов. - Воронеж, 2002. - 355 с.

11) Гурвич A.M. Введение в физическую химию кристаллофосфоров / М.Н. Гуревич. - М.: Высшая школа, 1971. - 336 с.

12) Келле Х.И. К вопросу о происхождении оранжевой и красной люминесценции CdS / Х.И. Келле, Я.Я. Кире, Л. Т. Тулва. // Проблемы физики соединений АН BVI. Вильнюс. - 1972. - С. 85 - 89.

13) Бовина Л.А., Бродин М.С., Валах М.Я. и др. Физика соединений А [II] В [VI] / под ред. А.Н. Георгобиани; М.К. Шейнкмана. - М.: Наука, 1986.— 320 с.

14) Морозова Н.К., Канахин A.A., Мирошникова И.Н., Галстян В.Г. Оптические свойства слоев CdS(O), ионно-легированных кислородом, с позиции теории антипересекающихся зон // Физика и техника полупроводников.-2013. - Т. 47, №8.-С. 1014-1021.

15) Ethayaraja М., Ravikumar С., Muthukumaran D., Dutta К., and Bandyopadhyaya R. CdS ZnS Core Shell Nanoparticle Formation: Experiment, Mechanism, and Simulation // Department of Chemical

Engineering, Indian Institute of Technology Kanpur, Kan pur 208016. -2006.-V. 111. - P.3246-3252.

16) Васильев Р.Б., Дирин Д.Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение // Методические материалы. - М.: ФНМ, 2007. - 34 с.

17) Ethayaraja М., Ravikumar С., Muthulcumaran D., Dutta К., and Bandyopadhyaya R. CdS ZnS Core Shell Nanoparticle Formation: Experiment, Mechanism, and Simulation // Department of Chemical Engineering, Indian Institute of Technology Kanpur, Kanpur. - 2006. - P. 208016.

18) Lakowicz J.R. Joseph R. Principles of fluorescence spectroscopy // 3rd ed. - New York: Springer. - 2006. - V. xxvi. - 954 p.

19) Nie S., Xing Y., Kim G.J., Simons J.W. Nanotechnology Applications in Cancer. // Ann. Rev. Biomed. Eng.. - 2007. - V. 9. - P. 257288.

20) Lim Y.T, Kim S, Nakayama A, Stott N.E, Bawendi M.C, Frang J.V. Selection of quantum dots wavelengths for biomedical assays and imaging // Mol.Imaging. - 2003. - V. 2, № 1. - P. 50-64.

21) Yu Z., Guo L., Du H., Krauss Т., Silcox J.. Shell distribution on colloidal CdSe/ZnS quantum dots // Nano Lett. - 2005. - V. 5. - P. 565-570.

22) Dahan M, Levi S, Luccardini C, Rostaing P, Riveau B, Triller A. Diffusion dynamics of glycine receptors revealed by single-quantum dot tracking // Science. - 2003. - V. 302, № 5644. - P. 442-445.

23) Derfus A.M, Chan W.C, Bhatia S.N, Intracellular delivery of quantum dots for live cell label in gand organelle tracking // Adv.Mater. -2004.-V. 16, № 12.-P. 961-966.

24) Larson D.R, Zipfel W.R, Williams R. Metall Water-soluble quantum dots for multiphoton fluorescence imaging in vivo // Science. - 2003. - V. 300, № 5624. - P. 1434-1436.

25) Murray C.B., Norris D.J., Bawendi M. G. Synthesis andc haracterization of nearly monodisperse CdE (E = S, Se, Те) semiconductor nanocrystallites //J AmChemSoc. - 1993. V. 115. - P. 8706-8715.

26) Саматов И.Г., Васильев Р.Б. Люминесцентные материалы на основе коллоидных квантовых точек CdSe/CdS // XVI Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», 2009, секция «Фундаментальное материаловедение и наноматериалы», с. 96.

27) Dabbousi В.О., Rodriguez-Viejо J., Mikulec F.V.,. Heine J.R, Mattoussi H., Ober R., Jensen K.F., Bawendi M.G. (CdSe)ZnS Core-Shell Quantum Dots: Synthesis and Characterization of a Size Series of Highly Luminescent Nanocrystallites // J. Phys.Chem. B. - 1997. - V. 101. - P. 9463-9475.

28) Лукашин A.B., Елисеев А.А. Химические методы синтеза наночастиц : методический материал Московский Государственный Университет имени М.В.Ломоносова Факультет наук о материалах. М., 2007, 41 с.

29) Dhanabalan К., muthukkumarasamy S. and Gurunathan К. Cationic micelles capped nanosized cds synthesis and characterization Chalcogenide // Letters. - 2012. - V. 9, № 6. - P. 243 - 248.

30) Гак В.Ю., Бричкин С.Б., Разумов В.Ф. Спектрально люминесцентные свойства наночастиц селенида кадмия, синтезированных в обратных мицеллах АОТ // Химия высоких энергий. - 2010. - Т. 44, № 6. - С. 560-565.

31) Лукашин А.В., Елисеев А.А. Синтез полупроводниковых наночастиц сульфида свинца и сульфида кадмия / А.В. Лукашин, А.А. Елисеев. - М.: МГУ, 2011. 38 с.

32) Bansal P., Jaggi N. and Rohilla S.K "Green" Synthesis of CdS nanoparticles and effect of capping agent concentration on crystallite size // Research Journal of Chemical Sciences. - 2012. - V. 2, № 8. - P. 69-71, ISSN 2231-606X.

33) Иванова Н.И., Руделев Д.С., Сумм Б.Д. Получение наночастиц сульфида кадмия в обратных микроэмульсионных системах // Вест. Моск. Ун-та, сер.2.химия. 2001. - Т. 42, № 6. -. С. 405 - 407.

34) Лукашин А.В. Синтез и свойства наноструктур на основе слоистых двойных гидроксидов. дисс. канд. хим. наук / Лукашин А.В.. - М., 2001. - 141 с.

35) Pileni М.-Р., Zemb Т., Petit С.. // Solubilization by reverse micelles: Solute localization and structure perturbation. // Chem. Phys. Lett. - 1985. -V. 118.-P. 414.

36) Зуев Ю.Ф., Захарченко Н.Л., Ступишина E.A., Файзуллин Д.А., Вылегжанина Н.Н. Особенности иммобилизации субстрата и каталитическая активность трипсина в обращенной микроэмульсии // Вестн. моек, ун-та. сер. 2. химия. - 2003. - Т. 44. № 1. - С. 13 - 15.

37) Венгренович Р.Д., Гудыма Ю.В., Ярема С.В. Оствальдовское созревание наноструктур с квантовыми точками // Физика и техника полупроводников, - 2001. - Т. 35, №12. С. 1440 - 1444.

38) Jesson D. Е., Chen К. М., Pennycook S. J., Thundat Т. and Warmack R. J. Morphological Evolution of Strained Films by Cooperative Nucleation // Phys. Rev. Lett. - 1996. - V. 77. - P. 1330-1333.

39) Фенелонов В.Б. Введение в физическую химию формирования супрамолекулярной структуры адсорбентов и катализаторов // Новосибирск: Издательство СО РАН. - 2002- С. 236-239.

40) Bullen C.R., Mulvaney P. Nucleation and Growth Kinetics of CdSe Nanocrystals in Octadecene // Nanoletters. - 2004. - V. 4, № 12. - P. 23032307.

41) Андриевский P.А., Рагуля A.B. Наноструктурные материалы. -M.: Издательский центр «Академия», 2005. - 192 с.

42) Overbeek J.T.G. Strong and weak points in the interpretation of colloid stability//Adv. Coll. Interf. Sc. - 1982. - №16. - P. 17-30.

43) Chen S., Carroll D.L.. Synthesis and Characterization of Truncated Triangular Silver Nanoplates// Nano letters. 2002. -V.34, №9. - P. 10031007.

44) Стась И. E., Фомин A.C.. Дисперсные системы в природе и технике // Учебное пособие к элективному курсу для студентов 4-го курса химического факультета. Барнаул. 2005. - 217 с.

45) Губин С.П. Что такое наночастица? Тенденции развития нанохимии и нанотехнологии // Росс. Хим. Журнал. - 2000, - V. -XLIV, № 6. - Р. 23-31.

46) Т. Sato, R.N. Rush. - Y.: Marcell Dekker. Stabilization of Colloidal Dispersions by Polymer Adsorption. - 1980. -. 32. p

47) Журавлева M. H. Новые композиционные материалы для оптики и радиоэлектроники: наночастицы CdS и Cu/Cu20 в матрице полиэтилена высокого давления : дис. канд. физ.-мат. наук / Журавлевой Марии Николаевны. - Саратовский Государственный Университет, 2006 - 151 с.

48) Губин С.П., Юрков Г.Ю., Катаева Н.А. «Микрогранулы и наночастицы на их поверхности» // Неорганические материалы. -2005.- Т. 41, №Ю.-С. 1159-1175.

49) М.О. Галлямов. Сканирующая зондовая микроскопия нуклеиновых кислот и тонких органических пленок : дис. ... канд. физ.-мат. наук : 01.04.07 : защ. 17.06.99 : утв. 12.11.99 / Галлямов Марат Олегович. - М.: МГУ имени М.В. Ломоносова, 1999. - 228 с.

50) Будников Г.К. Биосенсоры как новый тип аналитических устройств // Соросовский образовательный журнал. - 1996. - № 12. - С. 26-32.

51) Snee Р. Т., Somers R. С., Nair G., Zimmer J. P., Bawendi M. G., and Nocera D. G. Ratiometric A. CdSe/ZnS Nanocrystal pH Sensor // J. Am. Chem. Soc.,-2006.-V.128.-P. 13320-13321.

52) Tomasulo M., Yildiz I., and Raymo F.M. pH-Sensitive Quantum Dots // J. Phys. Chem. В., - 2006. - V. 110, №. 9. - P. 3853 - 3855.

53) Liu Y.-S., Sun Y., Vernier P. Т., Liang C.-H., Chong S. Y. C., and Gundersenm M. A.. pH-Sensitive Photoluminescence of CdSe/ZnSe/ZnS Quantum Dots in Human OvarianCancer Cells. // J Phys Chem С Nanomater Interfaces. - 2007. - V. 111, № 7. - P. 2872-2878.

54) Curley M.C., Biosens M. F.. Bioelectron. An optical biosencor using a fluorescent, swelling sensing element// Biosens Bioelectron. - 1994. - V. 9. - P. 527-533.

55) Borisov S. M. and Wolfbeis O. S.. Optical Biosensors. // Chemical Reviews. - 2008. - V. 108, № 2. - P. 423 - 461.

56) Kuwabata S., Kohma Т., Kimura R. and Uematsu Т.. Biosensing by fluorescent CdTe semiconductor Q-dots // 212th ECS Meeting, Abstract #1461, © The Electrochemical Society. - P. 1.

57) Li Y., Li В., Zhang J. H202- and pH-sensitive CdTe quantum dots as fluorescence probes for the detection of glucose // The Journal of Biological and Chemical Luminescence. - 2012. DOI 10.1002/bio.2413

58) Mei Hu, Jing Tian, Hao-Ting Lu, Li-Xing Weng, Lian-Hui Wang, H202-sensitive quantum dots for the label-free detection of glucose // Talanta.- 2010. - V. 82. - P. 997-1002.

59) Cao L., Ye J., Tong L., Tang B. A New Route to the Considerable Enhancement of Glucose Oxidase (GOx) Activity: The Simple Assembly of a Complex from CdTe Quantum Dots and GOx, and Its Glucose Sensing // Chem. Eur. J.. - 2008. - V. 14, № 31. P. 9633-9640. doi: 10.1002/chem.200800681

60) Gill R., Bahshi L., Freeman R., Willner I. Optical Detection of Glucose and Acetylcholine Esterase Inhibitors by H202-Sensitive CdSe/ZnS Quantum Dots // Angew. Chem. - 2008, V. 120. - P. 1700 -1703.

61) Duong H.D, Rhee J.I. Use of CdSe/ZnS core-shell quantum dots as energy transfer donors in sensing glucose // Talanta. - 2007. - V. 73, № 5. -P. 899-905. doi: 10.1016/j.talanta.2007.05.011

62) Geddes , Chris D., and Joseph R., Lakowicz J.R.. Topics in Fluorescence Spectroscopy Advanced Concepts in Fluorescence Sensing Part A: Small Molecule Sensing / Glucose Sensing. 2006. - V. 11 -SpringerScience+BusinessMedia, Inc. 460 p.

63) Gao F, et al. A novel nonenzymatic fluorescent sensor for glucose based on silica nanoparticles doped with europium coordination compound. // Talanta. - 2009. - V.80. - P. 202-206.

64) Жердева В. В., Савицкий А. П. Применение лантанидного индуктивно резонансного переноса энергии при изучении

биологических процессов in vitro и in vivo. // Успехи биологической химии. - 2012 . - Т. 52. - С. 315-362.

65) Pickupa J. С., Hussaina F., Evansa N. D., Rolinskib O. J., Birchb D. J.S. Fluorescence-based glucose sensors // Biosensors and Bioelectronics. -2005. - V. - 20. - P. 2555-2565.

66) Wu W., Zhou T., Aiello M., Zhou S.. Construction of optical glucose nanobiosensor with high sensitivity and selectivity at physiological pH on the basis of organic-inorganic hybrid microgels // Biosensors & bioelectronics.- 2010. - V. 25. - P. 2603 - 2610.

67) Pandya A, Sutariya P G. and Menon S. K. A non enzymatic glucose biosensor based on an ultrasensitive calix[4]arene functionalized boronic acid gold nanoprobe for sensing in human blood serum // Royal Society of Chemistry. - 2013. - V. 138. - P. 2483-2490.

68) Пальцев M.A., Киселев В.И., Свешников П.Г.. Нанотехнологии в медицине // Вестник Российской академии наук: научный и общественно-политический журнал. - 2009. - № 7. - С. 627-636.

69) Tang, В. et al. A new nanobiosensor for glucose with high sensitivity and selectivity in serum based on fluorescence resonance energy transfer (FRET) between CdTe quantum dots and Au nanoparticles. // Chemistry -A European Journal. - 2008. - V. 14, № 12. - P. 3637-3644.

70) Zhao Y., Riemersma C., Pietra F., Koole R., Donegá С. de M., Meijerink A. High-Temperature Luminescence Quenching of Colloidal Quantum Dots // ACS Nano. - 2012. - V.6, № 10. - P. 9058-9067. DOI: 10.1021/nn303217q.

71) Fiorenzo Vetrone, Rafik Naccache, Alicia Zamarrón, Angeles Juarranz de la Fuente, Francisco Sanz-Rodriguez, Laura Martinez Maestro, Emma Martin Rodriguez, Daniel Jaque, José García Solé, John A.

Capobianco Temperature Sensing Using Fluorescent Nanothermometers // ACS Nano. - 2010. - V. 4, № 6. - P. 3254-3258, DOI: 10.1021 /nn 100244a, Publication Date (Web).

72) Labeau O., Tamarat P., Lounis B.. Temperature Dependence of the Luminescence Lifetime of Single CdSe/ZnS Quantum Dots // Phys. Rev. Lett..- 2003. - V. 90. - P. 257404-257408. DOT. 10.1103/PhysRevLett.90.257404.

73) Zhao Y., Riemersma C., Pietra F., Koole R.,. Donega C. de M, Meijerink A.. High-Temperature Luminescence Quenching of Colloidal Quantum Dots // ACS Nano. - 2012. - V. 6, № 10. - P. 9058-9067. DOI: 10.1021/nn303217q, Publication Date (Web).

74) Peng H.,. Stichl M.I.J, Yul J., Sunl Li-ning, Fischerl L. H, Wolfbeisl Otto S.. Luminescent Europium(III) Nanoparticles for Sensing and Imaging of Temperature in the Physiological Range // Advanced Materials.- 2010. - V. 22. - P. 716-719. DOI: 10.1002/adma.200901614.

75) Kim J. C., Rho H., Smith L. M., Jacksona Howard E., Lee S., Dobrowolska M., Furdyna J. K.. Temperature-dependent micro-photoluminescence of individual CdSe self-assembled quantum dots // Applied Physics Letters. - 1999. -V. 75, № 2. - P. 214-216.

76) Lee, J., Govorov, A.O. and Kotov, N. A.. Nanoparticle assemblies with molecular springs: a nanoscale thermometer // Angew. Chem. Int. Ed.. - 2005. - V. 44. - P. 7439-7442.

77) Piven N.G., Feichuk P.I., Shnherbak L.P., Kalytchuk S.M., Kruluyk S.G., Korbutyak D.V.. Research of factor diffuzion permeability thermal effects of size and structural formation of cds nanoparticles // Condensed matter and interphases. - 2003. - V.8, № 4. - P. 315-319.

78) Maestro L.M., Rodríguez E.M., Rodríguez F., M.C. Iglesias-de la Cruz, Juarranz A., Naccache R., Vetrone F.. CdSe Quantum Dots for Two-Photon Fluorescence Thermal Imaging // Nano Lett.. - 2010. - V. 10, № 12.-P. 5109-5115. DOI: 10.1021/nll036098.

79) Maestro L.M., Jacinto C., Silva U. R., Vetrone F., Capobianco J. A., Jaquel D., Solé J. G.. CdTe Quantum Dots as Nanothermometers: Towards Highly Sensitive Thermal Imaging // Small. - 2011. - V. 7. - P. 17741778.

80) Джафаров M. А., Насиров Э. Ф. Наноструктурированные материалы на основе сульфида кадмия // Наносистемы: физика, химия, математика. - 2012. - Т. 3, № 6. - С. 91-97.

81) Zang S.A., Zhi-Wei Yoo, АН М.А., Alfano R. R. Effect of multiple light scattering and selfabsorption on the fluorescence and excitation spectra of dyes in random media // Applied Optics. - 1994. - V. 33, № 13. -P. 2746-2750.

82) Swartling J., Svensson J., Bengtsson D., Terike K., Andersson-Engels. S.. Fluorescence spectra provide information on the depth of fluorescent lesions in tissue // Applied Optics. - 2005. - V. 44, № 10. - P. 1934-1941.

83) Lagorio G.M., San Román E., How Does Light Scattering Affect Luminescence? Fluorescence Spectra and Quantum Yields in the Solid Phase // Journal of Chemical Education. - 2002. - V. 79, № 11. - P. 13621367.

84) Zhadin N.N., Alfano R.R. Correction of the internal absorption effect in fluorescence emission and excitation spectra from absorbing and highly scattering media: theory and experiment // J. Biomed. Opt. - 1998. - V. 3. -P. 171 - 186.

85) Prahl S.A. [электронный ресурс], "Inverse Adding-Doubling," http://omlc.ogi.edu/software/iad/

86) Tuchin, V.V., [Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis, second edition], PM 166, SPIE Press, Bellingham, WA (2007).

87) И.В. Забенков, В.И. Кочубей. Моделирование спектров люминесценции нанокомпазитов методом Монте-Карло // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: материалы VI Междунар. науч. конф. СевКавГТУ. - Ставрополь. 2006. - С. 401403.

88) В.И. Кочубей, Ю.Г. Конюхова, И.В. Забенков, В.К. Волкова, "Учет рассеяния и перепоглощения при анализе спектров люминесценции наночастиц", Квант. Электроника. - 2011. - Т. 41, № 4-5. - С. 335-339.

89) Кочубей В. И., Конюхова Ю. Г., Забенков И. В., Волкова Е.К. Учет рассеяния и перепоглощения люминесценции наночастиц в сильнодисперсных средах // Сборник тезисов докладов Всероссийской конференции «Фотоника органических и гибридных структур», Черноголовка. - 2011. - С. 82.

90) Kochubey V. I., Volkova Е.К., Konyukhova J. G., Zabenkov I. V. Correction of excitation spectra of the nanoparticles // Proc. SPIE. - 2012. -V. 8699.-P. 86990S-1.

91) Ishimaru, A., [Wave Propagation and Scattering in Random Media, Volume I: Single scattering and transport theory; Volume II: Multiple scattering, turbulence, rough surfaces and remote sensing], Academic Press, New York, 572 (1978).

92) В.И. Кочубей, Кособудский И.Д., Конюхова Ю.Г., Забенков И.В. Люминесценция полимерных композитных материалов с наночастицами CdS // Химия высоких энергий, 2010. - Т. 44, № 2. - С. 188-192.

93) Волкова Е.К., Кочубей В.И. Люминесценция наночастиц сульфида кадмия // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2010. - Т. 12, №4. - С. 113-116.

94) Волкова Е.К., Кочубей В.И. Люминесценция наночастиц сульфида кадмия // VII Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике: сборник конкурсных докладов (Самара, 18-21 ноября 2009 года) -Самара: Изд-во "Самарский университет". - 2010. - С. 23-29.

95) Кочубей В.И., Кочубей Д.И., Конюхова Ю.Г., Забенков И.В., Татаринов С.И., Волкова Е.К. Оптические характеристики наночастиц сульфида кадмия, синтезированных в полиэтиленовой матрице и в растворе орто-ксилола // Оптика и спектроскопия. - 2010. - Т. 109, № 2.-С. 182-189.

96) Походенко В.Д., Кучмий С.Я., Коржак A.B., Крюков А.И. Фотохимическое поведение наночастиц сульфида кадмия в присутствии восстановителей. // Теоретическая и экспериментальная химия.-1996. - Т.32,№2. - С.102-106.

97) Волкова Е.К., Кочубей В.И. Люминесценция и фосфоресценция наночастиц сульфида кадмия // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2012. - Т. 14, № 4. - С. 197-200.

98) Волкова Е.К., Кочубей В. И, Синтез и люминесцентные характеристики наночастиц CdS // Международный симпозиум

«Нанофотоника-2011», Украина, Крым, Сборник тезисов докладов и программ. - 2011. - С. 1-2.

99) Kochubey V.I., Konyukhova Ju.G, Volkova E.K. Effect of polyacrylic acid shell on luminescence and phosphorescence of ZnCdS nanoparticles // Book of Abstracts of the 3-rd International Symposium «Molecular photonics» dedicated to academician A.N. Terenin, Repino, St. Petersburg, Russia: VVM publishing Ltd. - 2012.-C.137.

100) Пивен H. Г., Щербак Л.П., Фейчук П. И., Калитчук С.М., Крылюк С.Г., Корбутяк Д.В. Термостимулированные эффекты синтеза нанокристаллов сульфида кадмия // Конденсированные среды и межфазные границы. Т. 8, № 4, С. 315-319.

101) Волкова Е.К., Кочубей В.И. Люминесценция и фосфоресценция наночастиц CdS // Сборник конкурсных докладов «IX Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике», Самара - 2011. - С. 1-7.

102) Kochubey V I., Konyukhova J. G., Volkova E.K., Skaptsov A. A., Galushka V. V., German S. V. Glucose and temperature sensitive luminescence ZnCdS nanoparticles // Proc. SPIE. - 2012. - Vol. 8553. - P. 85533B.

103) Volkova E.K.; Kochubey V., Konyukhova Ju., Skaptsov A., Galushka V., German S. Temperature dependence of the fluorescence spectrum of ZnCdS nanoparticles // Proc. SPIE. - 2013. - Vol. 8571. - P. 85712P.

104) Pylaev Т.Е., Volkova E.K., Kochubey V.I., Bogatyrev V.A., Khlebtsov N.G. DNA detection assay based on fluorescence quenching of rhodamine В by gold nanoparticles: The optical mechanisms // Quant

Spectrosc Radiai Transfer. - 2013. - http:// dx.doi.org/10.1016/j .jqrst.2013.04.026i.

105) Медведев Б. А., Янина И. Ю., Савонин С.А., Волкова Е.К. Нанотерапия. Начальный этап // Проблемы оптической физики и биофотоники: Материалы 12-й Международной молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофотонике. Саратов, Изд-во "Новый ветер." - 2009. - С. 199-205.