Усиление наноструктурированной поверхностью серебра инфракрасного поглощения низкотемпературных тонких пленок урацила

Abstract

Усиление наноструктурированной металлической поверхностью инфракрасного поглощения (SEIRA) адсорбированных биологических молекул является одним из основных направлений увеличения чувствительности современных оптических биосенсоров. Исследованы ИК фурье-спектры поглощения тонких пленок молекул азотистого основания РНК урацила, осажденных на низкотемпературные подложки (T = 6 К) с наноструктурами серебра, в спектральном диапазоне 2700–600 см⁻¹ . Показано, что интенсивность полос поглощения валентных колебаний νCO (диапазон 1800–1600 см⁻¹ ) тонкослойных пленок урацила возрастает в 3–4 раза. Для многослойных пленок влияние наноструктур на колебательные спектры ослабевает, и для слоев пленки, удаленных от поверхности более чем на 15 нм, усиление практически отсутствует. Проведены расчеты энергий колебательных спектров комплексов мономеров и димеров Ur с 20-атомными тетраэдрическими нанокластерами серебра квантово-механическим методом DFT/B3LYP. Наиболее стабильными являются комплексы с координационной связью между вершиной тетраэдра серебра и кислородом карбонильной группы C4O. Установлено, что при образовании таких комплексов существенно (3–5 раз) усиливается интенсивность валентного колебания νC4O урацила, в то время как интенсивности деформационных колебаний βNH, βCH и кольца существенно не возрастают.

Підсилення наноструктурованою металевою поверхнею інфрачервоного поглинання (SEIRA) адсорбованих біологічних молекул є одним з основних напрямків збільшення чутливості сучасних оптичних біосенсорів. Досліджено ІЧ фур’є-спектри поглинання тонких плівок молекул основи РНК урацилу), осаджених на низькотемпературні підкладки (T = 6 К) з наноструктурами срібла, в спектральному діапазоні 2700–600 см⁻¹ . Показано, що інтенсивність смуг поглинання валентних коливань νCO (діапазон 1800–1600 см⁻¹ ) тонкошарових плівок урацила зростає в 3–4 рази. Для багатошарових плівок вплив наноструктур на коливальні спектри слабшає, і для шарів плівки, віддалених від поверхні більш ніж на 15 нм посилення практично відсутнє. Проведено розрахунки енергій і коливальних спектрів комплексів мономерів і димерів урацилу з 20-атомними тетраедричними нанокластерами срібла квантово-механічним методом DFT/B3LYP. Найбільш стабільними є комплекси з координаційним зв’язком між вершиною тетраедра срібла і киснем карбонільної групи C4O. Встановлено, що при утворенні таких комплексів істотно (у 3–5 разів) посилюється інтенсивність валентного коливання νC4O урацила, в той час як інтенсивності деформаційних коливань βNH, βCH і кільця суттєво не зростають.

Enhancement of infrared absorption (SEIRA) of biological molecules by a nanostructured metal surface is one of the main directions of increasing the sensitivity of modern optical biosensors. The FTIR absorption spectra of thin films of uracil (a RNA base) deposited on low-temperature substrate (T = 6 K) with nanoscale silver structures were investigated in the spectral range 2700–600 cm⁻¹ . It was shown that the intensity of the absorption bands of stretching vibrations νCO (range 1800–1600 cm⁻¹ ) of uracil thin films (Ur) increases by a factor 3–4. For multilayer films the influence of nanostructures on the vibrational spectra is weakening and for the layers of the film that are spaced from the surface more than 15 nm the gain is absent practically. The energies and the vibrational spectra of complexes uracil monomers and dimers with 20 tetrahedral atomic nanoclusters of silver were calculated by the quantum-mechanical method DFT/B3LYP. The most stable complexes have the coordination bond between the top of the tetrahedron of silver and oxygen of the carbonyl group C4O. It was found that the formation of such complexes significantly (3–5 times) amplifies the intensity of the stretching vibration νC4O of uracil, while the intensity of the deformation vibrations βNH, βCH, and the rings are not experiencing significant growth.