Дисертаційна робота присвячена вивчення ефектів та механізмів підсилення оптичних переходів молекули тиміну за допомогою методів SERS та SEIRA спектроскопії, використовуючи різні елементи підсилення, такі як частинки благородних металів, фотонні структури, вуглецеві матеріали та їх комбінації.
Активний розвиток нанотехнологій в останніх роках зумовлює суттєву увагу наукової спільноти до властивостей наночастинок та вуглецевих матеріалів. Одним з найбільш активно досліджуваних напрямків залишається використання спеціально створених наноматеріалів для підсилення спектрального оптичного сигналу у методах аналізу, зокрема у Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) та Surface-Enhanced Infrared Absorption (SEIRA). Металеві наночастинки у цих системах генерують плазмонні коливання, що сприяють значному збільшенню електромагнітного поля на їхній поверхні. Це підсилене поле взаємодіє з молекулами речовини, збільшуючи інтенсивність розсіювання світла (у випадку SERS) чи поглинання інфрачервоного світла (у випадку SEIRA). Отримання додаткової інформації про взаємодію молекул на нанорівні, а також здатність аналізувати сигнали від над малої кількості речовини, робить ці методи дуже потужними для вивчення фізичних, хімічних чи біологічних систем на молекулярному рівні.
У дисертаційній роботі представлені результати досліджень механізмів підсилення оптичних переходів молекули тиміну з використанням різних підсилюючих структур.
По-перше, експериментально вивчено підсилюючі властивості золотих наночастинок у формі нанозірок та їх композитів з графеновими нанофлейками, в якості підсилюючих елементів в SEIRA спектроскопії. Беручи до уваги, що основу реалізації цих ефектів складають два основні механізми: електромагнітний та хімічний, було запроповоновано окремий аналіз впливу розмірів та форми наночастинок благородних металів на електромагнітну компоненту підсилення та впливу хімічного механізму, шляхом додавання вуглецевих наночастинок у композит у композит. Показано, що наночастинки, плазмонний пік яких зміщено ІЧ бік, виявиляють кращі властивості для ефекту SEIRA. Молекули тиміну, адсорбовані на наноструктурах золота, демонструють коефіцієнт підсилення поглинання ІЧ-випромінювання до 10 разів в залежності від типу молекулярної групи. У той же час помітна сильна залежність коефіцієнту підсилення від молекулярної групи тиміну при осадженні на графенові комплекси. Цей коефіцієнт досягає 25 разів для групи N1-H, що говорить про орієнтацію молекули тиміну на графені.
По-друге, експериментально вивчено потенціал використання композиту з срібними наночастинками, у поєднанні з відновленим оксидом графену, в якості активної наноструктури для SERS та SEIRA експериментів, зокрема з детектування молекул тиміну та аденіну. Показано, що сигнали зразків, приготованих з розчинів меншої концентрації тестової молекули демонструють суттєво краще підсилення, що ймовірно, спричиненюється помірною частиною аналітового матеріалу, що контактує з нанорозмірним сріблом та графеновими включеннями. Максимально досягнутий коефіцієнт підсилення для аденіну менший, ніж для тиміну, що спричинено кращою придатністю використаного червоного збудження для індукції процесів зарядового переносу з графену на рівень LUMO молекули тиміну.
По-третє, досліджено підсилюючий ефект графенових флейків та фотонних структур в раман спектроскопії. Для аналізу механізму підсилення використовувалася діелектрична резонансна хвилеводна структура з об’ємною модуляцією показника заломлення типу об’ємна гратка на основі полімерного нанокомпозиту на скляній підкладці. Було експериментально показано потенційну можливість застосування як періодичних резонансних хвилеводних структур, так і їх комбінації з графеновими нанофлейками, в якості підсилюючих підкладок для ефекту SERS. Експериментально підтверджено, що періодичні хвилеводні структури можуть служити як підсилюючі поверхні та призводити до значного підсилення сигналу адсорбованої молекули (до 100 разів).
Ключові слова: ефект SERS, ефект SEIRA, коефіцієнт підсилення ІЧ поглинання, коефіцієнт підсилення Раманівської спектроскопії, тимін, металеві наночастинки, вуглецеві наноматеріали, графен, відновлений оксид графену, резонансні фотонні структури.
