Спектроскопия, основанная на физических и химических свойствах поверхностей и тонких плёнок, играет ключевую роль в исследовании материалов и разработке сенсорных систем. Поверхностные явления позволяют значительно повысить чувствительность, селективность и разрешающую способность спектроскопических методов.
Поверхностно-плазмонный резонанс — это коллективное колебание свободных электронов на границе металл–диэлектрик, возбуждаемое электромагнитным излучением. ППР широко используется в спектроскопии для мониторинга изменений показателя преломления вблизи поверхности металла.
Основные принципы ППР Электромагнитная волна, падая под определённым углом на металлическую плёнку (обычно золото или серебро), возбуждает поверхностные плазмоны. Резонанс проявляется в резком снижении отражения или пропускания, чувствительном к изменениям окружающей среды на нанометровом расстоянии от поверхности.
Применение в биосенсорах Благодаря высокой чувствительности к малым изменениям показателя преломления, ППР-сенсоры способны обнаруживать связывание биомолекул (например, антиген–антитело) в режиме реального времени без маркировки. Это фундаментально важно для диагностики заболеваний и контроля биохимических реакций.
Материалы и конструкция сенсоров Металлические плёнки толщиной около 40–50 нм наносятся на стеклянные подложки, поверх которых формируются функциональные покрытия (например, с антителами или ДНК-зондами). Толщина и качество плёнки критичны для достижения оптимального резонанса.
Усиление Рамановского сигнала на наноструктурированных металлических поверхностях позволяет значительно повысить чувствительность метода.
Механизм усиления Электромагнитное усиление возникает за счет локализованных плазмонных резонансов в наночастицах металлов (Ag, Au, Cu). При этом интенсивность Рамановского сигнала возрастает в тысячи и даже миллионы раз, что позволяет обнаруживать отдельные молекулы.
Типы наноструктур Используются наночастицы, наноплёнки с неровной поверхностью, а также нанокомпозиты. Контроль размера и формы наноструктур влияет на резонансные частоты и эффективность усиления.
Области применения SERS-сенсоры применяются в аналитической химии, биомедицине, экологическом мониторинге для выявления малых концентраций органических и биологических соединений.
Тонкие плёнки часто используются как активные среды в инфракрасной (ИК) спектроскопии для анализа поверхностных слоёв.
Методы отражательной и пропускательной спектроскопии Использование тонких плёнок на отражающих подложках позволяет получить информацию о химическом составе и структурных изменениях на поверхности. Тонкая пленка действует как интерферометр, усиливая сигналы.
Спектроскопия преобразования Фурье (FTIR) В сочетании с тонкими плёнками FTIR-спектроскопия обеспечивает высокое разрешение и возможность наблюдения динамических процессов на поверхности.
Тонкие полупроводниковые плёнки широко применяются в сенсорных устройствах, особенно для газового и биохимического мониторинга.
Принцип работы Изменение электропроводности или потенциала поверхности тонкой плёнки под воздействием адсорбированных молекул служит сигналом для сенсора.
Материалы и технологии Используются оксиды металлов (ZnO, SnO₂, TiO₂), органические полупроводники и гибридные структуры. Толщина плёнки и морфология контролируются методами осаждения (спин-котирование, ПВД, MOCVD).
Применение Газовые сенсоры для обнаружения вредных веществ (CO, NO₂, H₂S), биосенсоры для мониторинга метаболитов, влажности и др.
Тонкие плёнки используются для создания интерферометров с высокой чувствительностью к изменениям толщины, показателя преломления и адсорбции.
Принцип работы Изменения в толщине или оптических свойствах тонкой плёнки приводят к сдвигу интерференционного максимума, что фиксируется спектрометром.
Применение в сенсорах Оптические сенсоры на основе интерференции применяются для детекции газов, жидкостей и биомолекул. Особая чувствительность обеспечивается мультислойными структурами и резонаторами.
Гибридные наноструктуры Совмещение металлов с полупроводниками и диэлектриками в нанокомпозитах открывает новые возможности для улучшения чувствительности и селективности спектроскопических сенсоров.
Портативные и интегрированные устройства Миниатюризация и интеграция спектроскопических систем на базе тонких плёнок позволяют создавать портативные аналитические приборы для полевых условий и быстрой диагностики.
Новые материалы Исследования двумерных материалов (графен, MXenes) и их функционализация дают надежду на революционные сенсорные технологии с повышенной стабильностью и чувствительностью.
Этот обзор подчёркивает фундаментальную и прикладную значимость физических эффектов поверхности и тонких плёнок для развития спектроскопических методов и сенсорных систем, раскрывая многообразие применений и направлений исследований.