Аннотация результатов, полученных в 2014 году
В 2014 году выполнялся первый этап проекта ("синтез"), в рамках которого предложены новые способы получения различных вариантов "строительных блоков" для самосборки сложных плазмонных структур из коллоидосом, то есть композитных микрочастиц с заранее функционализированной поверхностью за счет привития к ней наночастиц различной формы и размера, что позволяет достаточно гибко варьировать оптические и другие полифункциональные свойства материала, проведено комплекное изучение физико - химических и оптических характеристик коллоидосом. В частности, предложены эффективные методы формирования коллоидосом на основе 0D-, 1D-, 2D- микрочастиц - носителей, декорированных наночастицами серебра (золота), наночастиц благородных металлов сложной формы в системах микросферы SiO2 - Ag/Au, анодный Al2O3 - Ag/Au, FeOxOHy - Ag/Au, нанотубулярный MoS2 - Ag/Au, химически - модифицированный графен - Ag/Au. При получении данных материалов использован набор эффективных синтетических приемов, включая темплатный подход, синтез в микрореакторах, топотактические превращения, которые позволили получить коллоидосомы с наночастицами анизотропной формы с набором полос плазмонного резонанса от 405 до 750 нм и большим количеством "горячих точек". Такие коллоидосомы наиболее приспособлены к получению с помощью спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния сигнала КР и резонансного КР для широкого круга аналитов. При помощи новых синтезированных плазмонных серебряных наноструктур впервые получено изибирательное усиление сигнала КР от цитохрома с в интактных митохондриях, при этом регистрируемый сигнал ГКР является чувствительным к активности ЭТЦ и изменяется при изменении относительного количества фракций восстановленной и окисленного цитохрома с.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Второй этап 2015 выполнения проекта "Самосборка полифункциональных коллоидосом для создания новых плазмонных материалов" ориентирован на разработку методов сборки и самосборки сложных структур, в том числе планарных, для создания активных элементов ГКР - датчиков из полифункциональных коллоидосом. Данная задача учитывала физико - химические особенности предполагаемых принципов и экспериментальных процессов самосборки, а также особенности полученных материалов для того, чтобы конечные функциональные характеристики, связанные с эффектом усиления сигнала комбинационного рассеяния, достигали желаемого уровня. На втором этапе были использованы системы Ag - SiO2, Ag - Fe3O4 для магнитной сепарации биологических объектов, совмещенной с ГКР, Ag - оксид графена, Au - WS2, разработаны эффективные приемы химической модификации поверхности биосовместимых коллоидосом на основе SiO2, впервые предложен новый эффективный и доступный способ получения ГКР – активных материалов за счет распределения нанокомпозитов в тонком слое ксерогеля на основе биосовместимых полимеров, концентрирующих молекулярные аналиты за счет явления набухания, впервые с помощью ГКР – спектроскопии успешно исследованы процессы работы функционирующих митохондрий. В результате выполнения второго этапа проекта c помощью пиролиза аэрозолей впервые предложен синтез магнитных коллоидосом Ag - Fe3O4, потенциально пригодных для реализации приема магнитной сепарации биологических объектов, совмещенной с ГКР, разработаны приемы химической модификации поверхности биосовместимых коллоидосом на основе SiO2 амино-, тиогруппами, биополимерами, за счет чего достигнут контроль зетта - потенциала, агрегативная стабильность коллоидной системы, повышенная биосовместимость, а также установлена возможность предконцентрирования аналитов за счет набухания полимерной матрицы и сорбции молекулярных компонентов, исследованы возможные механизмы роста наночастиц на поверхности микрочастиц с привитыми азот - содержащими функциональными группами, а также на поверхности микросфер диоксида кремния с 2-3 нм зародышами серебра, полученными за счет оригинального приема самовосстановления амиачного комплекса гидроксида серебра (I), впервые предложены приемы получения нанокомпозитов на основе SiO2, содержащих поверхностно – привитые анизомерные наночастицы серебра, позволяющие контролировать оптические свойства материала, в частности, контролируемо смещать полосы плазмонного резонанса, исследованы физико - химических особенности коллоидосом на основе мезопористого диоксида кремния и впервые показана возможность их использования для создания оптических газовых датчиков, при этом существенное уcиление сигнала КР происходит за счет сорбции и капиллярной конденсации аналита из газовых сред в мезопористой системе микрочастиц – носителей вблизи наночастиц серебра на поверхности мезопористого нанокомпозита, реализующих эффект ГКР, в частности, удается детектировать до 0.1 об.% пиридина в паровой фазе, разработаны методы получения упорядоченных планарных структур на основе полученных материалов за счет самосборки в мениске, с использованием эмульсий Пиккеринга, графоэпитаксии, для создания активных элементов ГКР - датчиков из полифункциональных коллоидосом, рассмотрены физико - химических особенности и возможные механизмы экспериментальных процессов самосборки, проведен анализ функциональных характеристик полученных материалов, связанных с эффектом усиления сигнала комбинационного рассеяния для модельных аналитов и биологических объектов, в том числе эритроцитов и митохондрий. C практической точки зрения предложено отказаться от физических методов нанесения кластеров благородных металлов ГКР – активных элементов из – за низкой эффективности и химической стабильности слоев, а также от отдельного получения наночастиц химическими способами в растворе с последующим осаждением на подложки или привитием к наночастицам – носителям в силу большого количества стадий и наличия сорбирующихся примесей реагентов и продуктов реакции восстановления. В проекте была показана эффективность «чистого» способа получения наночастиц серебра из водного раствора аммиачного комплекса гидроксида серебра на микроносителях, поскольку это приводит к снижению количества экспериментальных стадий, концентрированию наночастиц серебра на микроносителях с формированием «горячих точек» и наночастиц анизотропной формы, легкому выделению нанокомпозита из реакционной смеси. Установлено, что использование нового прекурсора – однородно распределенных в полимерах нанокомпозитов - для нанесения активных слоев ГКР оптических сенсоров на различные подложки обеспечивает возможность масштабирования и предконцентрирования аналитов. По материалам проекта за 2015 год имеется 8 публикаций, из них 3 – в журналах Scientific Reports, Journal of Materials Chemistry B и RSC Adcances с импакт – факторами 3.9 – 5.7, 2 – в журнале Functional Materials Letters (ожидается импакт – фактор 2.2 в 2015 году), 2 – в российском журнале Mendeleev Communications (импакт 1.3), по материалам проекта (статьи в Scientific Reports) имеются также следующие основные ссылки в области популяризации научных знаний: http://www.msu.ru/science/main_themes/mitokhondrii-na-strazhe-chelovecheskoy-zhizni.html http://lenta.ru/news/2015/10/28/msu/ http://www.gazeta.ru/science/news/2015/10/28/n_7822541.shtml http://mospravda.ru/science/article/pokorenie_molekyli/ https://www.nkj.ru/news/27267/ http://www.chemport.ru/datenews.php?news=4101 http://biomolecula.ru/content/1843 http://www.nanometer.ru/2015/11/24/14483792782999_494449.html http://www.sciencedaily.com/releases/2015/11/151117181503.htm http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-11/lmsu-mog111715.php

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Третий, заключительный, этап проекта имел четкую направленность на практическое воплощение новых разработанных функциональных материалов в форме прототипов оптических датчиков на основе фундаментальных исследований, проведенных на двух предыдущих этапах проекта. В ходе выполнения работ впервые разработаны и методически оптимизированы потенциально масштабируемые методы получения биосовместимых полимер – нанокомпозитных ГКР – активных материалов на основе хитозана, этилцеллюлозы, в том числе - для гибких отражающих (профилированная алюминиевая фольга) и пористых сорбирующих подложек, пористая структура которых имела дуальное распределение пор в силу создания микропористых каналов в результате введения стадии сублимационного обезвоживания. Одной из важных технологий, внедренных в лабораторную практику получения активных элементов оптических сенсоров на основе эффекта гигантского комбинационного рассеяния, являлась межфазная самосборка наночастиц серебра сложной формы. Наночастицы сложной формы (микросферы серебра, диоксида титана как потенциальные коллоидосомы - носители, полые тонкостенные металлические сферы, магнитные коллоидосомы с контролируемой морфологией и особенностями распределения серебра) были получены в результате псевдоморфных превращений, а также в результате разработки оригинального метода горения раствора в аэрозоле. Показано, что использование таких наночастиц и их самосборка позволяет направлено модифицировать особенности распределения локального электромагнитного поля в активном элементе сенсора, обеспечивающего увеличение чувствительности и возможность анализа более широкого набора возможных аналитов из - за расширенного спектрального диапазона возбуждения лазерным излучением 400 - 750 нм. Полученные материалы дают возможность проведения неинвазивного анализа аналитов, в том числе биологической природы, обеспечивают простоту пробоподготовки и экспрессность анализа, возможность предконцентрирования аналитов, отказ от использования дорогостоящих физических методов осаждения пленок и дорогостоящих материалов (золота), обычно используемого в коммерчески доступных сенсорах, конкурирует по достижимым параметрам чувствительности анализа с такими дорогостоящми и времязатратными методиками, например, хроматографией и масс-спектрометрией. В результате межфазной самосборки получены образцы новых материалов, представляющие собой тонкий слой контактирующих друг с другом ассоциатов наночастиц серебра размером 50 - 100 нм, состоящих из 5 - 10 нм строительных блоков с зазорами (порами) размером 1 - 10 нм, обеспечивающих возникновение "горячих точек", благоприятных для максимального усиления сигнала комбинационного рассеяния, а также увеличение до 100 м2/г общей площади поверхности, что способствует сорбции аналита и увеличиваюет чувствительность анализа. Форма ассоциатов способствовует плотной упаковке наночастиц и возникновению новых плазмонных мод, что способствует поглощению в более широком диапазоне длин волн возбуждающего излучения, а также модификацию локального электромагнитного поля, благоприятного для конечного усиления сигнала. Для практических испытаний получены образцы планарных структур площадью около 4 мм2, свободные нанокомпозитные пленки толщиной около 300 микрон на основе жертвенных набухающих полимеров, ГКР - активные тест - полоски, стеклянные капиллярные активные элементы для реализации гель - хроматографии, предконцентрирования аналита и усиления спектрального сигнала аналита или их смеси в пределах одного и того же активного элемента оптического сенсора. Предложены и проанализированы возможности практического применения многослойных чувствительных оптических элементов с полимерными слоями, фильтрующими или адгезивно / электростатически связывающими гемопорфирины для анализа биомолекул и клеточных органелл - митохондрий. Полученные образцы обеспечили коэффициент усиления сигнала комбинационного рассеяния до 10^7 при анализе 10 - 30 микролитров аналита с возможностью обнаружения ряда аналитов в наномолярных концентрациях и ниже. Универсальность разрабатываемой технологии позволила использовать как отражающие (металлические фольги), так и сорбирующие подложки (с волокнистой или пористой структурой) для получения конечных активных элементов оптических сенсоров с улучшенной селективностью получаемых активных элементов. Проанализирована возможность совместного использования спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния и хроматографии. Показано, что уникальность разрабатываемого материала и методики его получения заключается в (1) достижении простоты, доступности и существенном снижении себестоимости возможного изделия, (2) улучшении спектральной чувствительности материала с расширением рабочего диапазона до 400 - 750 нм, что позволяет использовать существенно больший набор возможных моделей раман - спектрометров, в том числе портативных, (3) усилении спектрального сигнала "отпечатка пальцев" аналитов, обеспечивающих чувствительность, селективность и мультиплексность анализа, сопоставимыми c традиционно используемыми методами. Для полученных структур определены метрологические параметры воспроизводимости, чувствительности и точности анализа для определения следовых количеств ряда биологически – активных веществ. Полученные данные использованы в неинвазивном анализе клеточных структур, биомаркеров, позволяющие провести оптимизацию нанокомпозитных материалов для ГКР - датчиков. Результаты коррелируют с данными компьютерного моделирования распределения локального электромагнитного поля различных наноструктур, облегчающих создание рабочих прототипов оптических сенсоров для биомедицинской диагностики. В результате выполнения данного этапа получены новые фундаментальные результаты, опубликовано 5 статей в ведущих журналах, данные представлены в форме устных и пленарных докладов, а также в СМИ и научно - популярных изданиях. Проведена оценка рынка коммерческих ГКР – датчиков в сравнении с предполагаемыми в проекте решениями. Подана заявка на патент РФ. http://priroda.ras.ru/new/2016-03.pdf http://rscf.ru/en/node/1606 http://biomolecula.ru/content/1843 http://chemsci.ru/ http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959943616300190 http://www.nano.imetran.ru/ http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/RA/C6RA20372H#!divAbstract http://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S1793604716420030 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959943616300025