КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 17-19-01637

НазваниеРазработка диэлектрических и гибридных наноструктур как многофункциональных элементов биофотоники

РуководительКившар Юрий Семенович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ

2017 г. - 2019 г.

Конкурс№18 - Конкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-206 - Нано- и мембранные технологии

Ключевые словаНанофотоника, наночастицы, биофотоника, резонансы Ми, плазмонный резонанс, фононы, визуализация, сенсинг, фотокатализ

Код ГРНТИ29.19.22

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Данный проект направлен на решение одной из важнейших задач современной биофотоники – создание «умных» (т.е. способных интерактивно сообщать о своем состоянии) фотонных наноструктур для комплексной визуализации клеточных структур, сенсинга органических соединений и фотокатализа. Действительно, визуализация внутриклеточного пространства с высоким разрешением, детектирование малых концентраций, анализ химического состава низко и высокомолекулярных соединений, а также нанотермометрия, совмещенная с оптическим стимулированием/управлением химическими реакциями и физическими процессами в органических соединениях являются крайне важными и, отчасти, основополагающими в фундаментальных и прикладных работах клеточной биологии, вирусологии, медицине, фармацевтике и терапевтике. Совмещение же подходов к визуализации, сенсингу и фотокатализу в одном, универсальном, оптическом методе открывает огромные возможности для комплексного анализа органических соединений и деталей строения клеточных структур с высокой эффективностью, точностью и, главное, простотой. Для визуализации клеточных структур обычно используют методы иммуноцитохимии. Однако нестабильность флуоресцентных красителей, токсичность и мерцание квантовых точек, используемых в этих методах, – непреодолимые проблемы, снижающие четкость получаемых изображений. Для детектирования же орагнических молекул, размеры которых меньше 10 нм, обычно применяются фотонные кристаллы с высоким фактором Парселла и низкими оптическими потерями, а также металлические наноструктуры, локализующие и усиливающие свет в наномасштабе, что приводит к SERS (усиленное поверхностью комбинационное рассеяние) эффекту для адсорбированных молекул. Однако фотонные кристаллы для задач детектирования предъявляют повышенные требования к качеству их изготовления и часто непрактичны в использовании (большие размеры, сложность доставки одиночных молекул в объем фотонного кристалла и т.д.). В свою очередь, металлические наноструктуры обладают высокими омическими потерями, искажают детектируемый спектральный SERS отклик молекул, цитотоксичны и неудобны для оптимизации диаграммы направленности излучаемого полезного сигнала. Также, металлические частицы, используемые в фотокатализе, помимо перечисленных выше недостатков, не предоставляют никакой дополнительной информации о локальной температуре на ее поверхности. Для устранения перечисленных недостатков существующих методов, в ходе данного проекта будет разработана элементная база биофотоники нового типа: диэлектрические и металл-диэлектрические (гибридные) наночастицы и наноструктуры, обладающие как резонансными колебаниями кристаллической решетки (оптическими фононами), так и оптическими резонансами Ми типа и локализованными плазмонами. Согласно классической теории Ми, диэлектрические наноструктуры (например, кремниевые или германиевые) могут демонстрировать индуцированные магнитный и электрический резонансы в оптическом диапазоне. Наличие резонансов двух типов открывает широкие возможности для управления светом на наномасштабе и позволяет перестраивать диаграммы направленности излучаемого и поглощаемого сигналов. В свою очередь, комбинирование диэлектрических и металлических наночастиц позволяет сочетать магнитный оптический отклик с высокой степенью ближнепольной локализации, так необходимой как для SERS эффекта, так и для фотокатализа. Такая гибридизация в последние несколько лет притягивает внимание исследователей в области нанофотоники своими исключительными перспективами. Помимо прочего, колебания кристаллической решетки диэлектрических и гибридных наночастиц позволят использовать их в высокоточной нанотермометрии, что, в купе с оптическими резонансами, открывает огромные перспективы для их универсального использования во многих задачах нано и биофотоники и делают их многофункциональными. Такие наночастицы и наноструктуры, применительно к проблемам визуализации, сенсинга и фотокатализа будут создаваться и изучаться впервые. Стоит также отметить, что многофункциональные наночастицы будут создаваться как при помощи уникального в России метода лазерной печати однослойных и многослойных наночастиц с различной степенью кристалличности, так и при помощи отработанных высокотехнологичных методов нанолитографии. Таким образом, новизна и актуальность данного проекта не вызывает сомнений. Действительно, использование «умных» фотонных наноструктур в биофотонике сделает подходы к визуализации, сенсингу и оптическому стимулированию процессов в органических соединениях по настоящему простыми, многоканальными, универсальными и быстрыми в исполнении, а сочетание большого опыта в области нанофотоники и биофизики у членов коллектива (http://metalab.ifmo.ru/, см. сведения об основных исполнителях) позволит решить важнейшие задачи в современной биофотонике. Более того, представленный междисциплинарный проект является уникальным даже на международном уровне, имеет глубокую историю развития и основательный научный задел (см. пункт 4.8 и файл с дополнительной информацией 2), что позволит успешно реализовать его и, в дальнейшем, развивать как самостоятельное научное направление.

Ожидаемые результаты
Настоящий проект направлен на проведение фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований резонансов двух типов (оптических резонансов Ми типа и фононных резонансов) в диэлектрических и гибридных наночастицах с целью создания «умных» фотонных наноструктур как многофункциональных элементов для визуализации, сенсинга и стимулирования процессов в высокомолекулярных соединениях и клетках. В результате выполнения проекта будут разработаны, изготовлены и изучены диэлектрические и гибридные наночастицы и наноструктуры (метаповерхности). Созданные элементы будут, во-первых, уникальными для биофотонных приложений, во-вторых многофункциональными и универсальными при работе с широким спектром органических объектов, а также будут отличаться удобством в использовании по сравнению с существующими аналогами на основе металлических наночастиц или чистых красителей. В частности будут разработаны: 1. Наноразмерные люминесцентные маркеры для четкой визуализации отдельных органелл с суб дифракционным разрешением (менее 100 нм) и параллельного анализа температуры окружения на основе диэлектрических наночастиц, поверхность которых функционализирована органическими красителями. Эффект будет достигнут за счет ближних полей на магнитных и электрических резонансах Ми около поверхности наночастицы без паразитного гашения полезного сигнала люминесценции. 2. Нанотермометры для высокоточного измерения температуры (0.4 С) и параллельного анализа химического состава биологического окружения в суб дифракционных областях на основе диэлектрических и гибридных наночастиц. Эффект будет достигнут за счет теплового равновесия между окружающей средой и самой диэлектрической наночастицей, а также термочувствительных и активных в комбинационном рассеянии оптических фононов кремния и германия. 3. Наноразмерные фотокатализаторы с обратной связью в широком диапазоне температур (от криогенных до 1000 С) на основе диэлектрических и гибридных наночастиц для контролируемого запуска конформаций высокомолекулярных соединений в наномасштабе, разрушения полимерных капсул, которые активно используются для доставки различных веществ внутрь клетки, и параллельным измерением температуры. Эффект будет достигнут за счет контролируемых поглощения излучения металлической частью наночастицы и конверсии ее в тепловую энергию. 4. Визуализаторы на основе диэлектрических и гибридных метаповерхностей для одновременного построения интерактивных карт температуры с высокой точностью (0.4 С), топографии с суб дифракционным разрешением (менее 100 нм) и химического состава макромолекул и внутриклеточного пространства. Комплексный эффект будет достигнут за счет SERS эффекта металлической и диэлектрической частей наночастицы, фононных свойств диэлектрической ее части, а также процессов усиления люминесценции и собственной генерации высших гармоник. Успешное выполнение данного проекта откроет новую область в прикладных нано и биофотонике – совместное использование магнитного оптического, плазмонного резонансов и резонансных колебаний кристаллической решетки для создания универсальных и многофункциональных визуализаторов, сенсоров и фотокатализаторов. Результаты проекта будут иметь широкую область применений: от получения стандартных конфокальных изображений биологических объектов с высоким разрешением до контролируемой точной доставки лекарственных препаратов внутрь клеток. Среди огромного круга потребителей созданных элементов можно указать как научные группы (см. письма поддержки от иностранных ученых в файле с дополнительной информацией 1), занимающиеся фундаментальными исследованиями в области биофизики белков, клеточной биологии, термометрии, катализа, так и коммерческие медицинские учреждения, предприятия с оптическими и кремниевыми технологиями, производителей биохимических тестов и систем био-мониторинга. Важность запланированных в проекте работ также следует из того факта, что исследования в области создания новых элементов биофотоники активно ведутся не только в частных и государственных (иностранных) институтах, но и таких международных компаниях, как Biotest, Biosensor, Remedios Ltd. и др, а реализация настоящего проекта именно в России сможет вывести государство на принципиально новый уровень междисциплинарных идей и исследований за счет применения диэлектрических и гибридных наноструктур и метаматериалов в новой, уникальной для, них области - биофотонике.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---