Badania

Postawiony główny cel projektu wymaga zastosowania interdyscyplinarnego podejścia, w którym zaangażowane są w sposób synergiczny zarówno wiedza teoretyczna z zakresu współczesnej fizyki, jak również umiejętności wykorzystania najnowszych osiągnięć w dziedzinie nanotechnologii, optyki i inżynierii optycznej.

Zakres działań w projekcie obejmuje równoległą realizację trzech zintegrowanych i komplementarnych części:
Część A. Wytworzenie nanocząstek metalicznych o kontrolowanej morfologii oraz zbadanie ich funkcjonalności jako układów sensorowych.
Część B. Opracowanie metod optycznych do kontroli dynamiki nanocząstek oraz ich oddziaływaniem z cząsteczkami analizowanej substancji.
Część C. Weryfikacja własności termodynamicznych oraz spektroskopowych badanych układów za pomocą ultra-precyzyjnej spektroskopii strat we wnęce.

Część A
Głównym przedmiotem tej części badań, prowadzonych przez Zespół Optyki Nanostruktur Hybrydowych, będzie synteza i funkcjonalizacja nanocząstek metalicznych o kontrolowanej morfologii oraz testowanie aktywności sensorowej uzyskanych materiałów technikami mikroskopii fluorescencyjnej. Morfologia nanocząstek metalicznych w głównym stopniu decyduje o ich własnościach optycznych związanych z rezonansem plazmonowym. Poprzez dobór nanocząstek o odpowiednim kształcie możliwe jest przestrajanie energii tego rezonansu w zakresie od 400 nm do 1200 nm, co ma fundamentalne znaczenie dla konstrukcji ultraczułych platform sensorowych. Z kolei funkcjonalizacja powierzchni tych nanostruktur jest niezbędna do zapewnienia odpowiedniej selektywności biochemicznej i reagowania na określony analit. Do zadań badawczych (etapów) projektu w części dotyczącej syntezy i funkcjonalizacji nanocząstek metalicznych należą:
Zadanie 1: Synteza nanocząstek metalicznych o ustalonej morfologii
Wytworzone zostaną na drodze syntezy chemicznej nanocząstki sferyczne złota i srebra. Nanocząstki sferyczne wykazują ograniczony zakres zmienności rezonansu plazmonowego (dla Au ~530 nm, dla Ag ~400 nm). Wytworzone zostaną na drodze syntezy chemicznej nanocząstki o kształcie planarnych trójkątów o rozmiarach od 10 nm do 100 nm. Zakres kontroli rezonansu plazmonowego w tych nanostrukturach wynosi od 400 nm do przynajmniej 1200 nm. Wytworzone zostaną na drodze syntezy chemicznej nanodruty srebra o średnicach około 100 nm i długości około 4-10 mikrometrów. Tego typu nanostruktury charakteryzują się dużą powierzchnią, niezbędną do osiągnięcia wysokiej czułości sensora, oraz rozmiarem pozwalającym na bezpośrednie obrazowanie ich przy użyciu technik mikroskopii optycznej i fluorescencyjnej.
Zadanie 2: Funkcjonalizacja nanocząstek metalicznych odpowiednimi grupami funkcyjnymi
Nanocząstki sferyczne zostaną sfunkcjonalizowane za pomocą grup tiolowych, soli niklu oraz biotyny. Opracowane zostaną techniki funkcjonalizacji powierzchni nanocząstek trójkątnych grupami thiolowymi oraz solami niklu (sole niklu pozwalają na połączenie z His-tagiem). Opracowane zostaną techniki funkcjonalizacji nanodrutów srebra grupami thiolowymi, solami niklu oraz ortokrzemianami.
Zadanie 3: Charakteryzacja funkcjonalności nanocząstek metalicznych jako potencjalnych sensorów technikami mikroskopii fluorescencyjnej
Przetestowana zostanie przydatność nanostruktur metalicznych pod kątem ich aktywności jako potencjalnych czujników plazmonowych za pomocą technik wysokorozdzielczej mikroskopii fluorescencyjnej z wykorzystaniem odpowiednio sfunkcjonalizowanych barwników i białek.

Część B
Istotnym elementem kontroli jakości wytworzenia oraz działania wytworzonych nanocząstek jest możliwość ich wizualizacji. Ta część badań prowadzona będzie w Zespole Optycznego Obrazowania Biomedycznego. W jej ramach planuje się opracować i dokonać weryfikacji zaawansowanych optycznych metod kontroli dynamiki nanocząstek pod wpływem ich zewnętrznego pobudzenia. W tej koncepcji zakłada się wykorzystanie interferometrii światła częściowo spójnego oraz technik fazoczułych do określania chwilowych zmian położenia funkcjonalizowanych nanocząstek. Metody te są optymalne dla założonego celu, ponieważ charakteryzują się dużą czułością na nawet niewielkie zmiany współczynnika załamania światła związane z oddziaływaniem nanoczujnika ze środowiskiem lub na odpowiednie pobudzenie termiczne, a także pozwalają na uzyskiwanie wysokich rozdzielczości podłużnych. Do zadań badawczych (etapów) w tej części projektu należą:
Zadanie 4: Opracowanie podstaw interferometrycznej techniki pomiaru dynamiki nanocząstek na podstawie analizy zmian fazy prążków interferencyjnych
Wykonane zostaną symulacje określające zdolność metod interferometrycznych do pomiaru reakcji nanosensorów na zmiany środowiskowe takie jak temperatura.
Zadanie 5: Zaprojektowanie mikroskopowego układu tomograficznego OCT do pomiaru termicznych własności obiektów
Zaprojektowana zostanie odpowiednia głowica, która zapewni nieinwazyjny pomiar roztworu nanocząstek funkcjonalizowanych. Źródło światła do stymulacji zjawiska termicznego zostanie dobrane na podstawie pomiarów wykonanych w poprzedniej części projektu.
Zadanie 6: Implementacja metody pomiaru dynamiki położenia funkcjonalnych nanocząstek
Dokonane zostaną testy aparatury mikroskopowej z wykorzystaniem otrzymanych roztworów nanostruktur metalicznych.
Zadanie 7: Badanie oddziaływania metalicznych nanocząstek z substratem za pomocą pośredniego pomiaru zmian temperatury oraz ciśnienia
Wpływ oddziaływania nanocząstek z analitem będzie określana za pomocą odpowiedzi roztworu sensorów na stymulację czynnikiem zewnętrznym, np. światłem.

Część C
Wyniki z powyższych badań będą weryfikowane poprzez porównywanie do wyników pochodzących z pomiarów wykonanych za pomocą ultra-precyzyjnej spektroskopii strat we wnęce. Ultra-precyzjna spektroskopia w wielu dziedzinach staje się techniką referencyjną, dostarczając wyniki doświadczalne o najwyższej dokładności. Tak też się staje w przypadku pomiaru własności termodynamicznych. Rozwinięta w Zakładzie Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej ultra-precyzyjna spektroskopia strat we wnęce wraz z wyrafinowanymi modelami kształtu linii widmowych używanymi podczas analizy danych, daje unikalną możliwość pomiaru szerokości dopplerowskiej linii z niespotykaną dotąd precyzją. Pomiary tego typu otwierają drogę do spektroskopowego wyznaczania stałej Boltzmanna, a w przyszłości do nowej optycznej skali temperatury opartej na precyzyjnych pomiarach spektroskopowych. Elementem metodycznym tego przedsięwzięcia jest projekt i analiza doświadczalna komory absorpcyjnej, w której temperatura gazu jako złożonego układu termodynamicznego będzie precyzyjnie kontrolowana i mierzona. W przyszłości komora ta posłuży do wyznaczania stałej Boltzmanna metodą dopplerowskiej termometrii optycznej. Do zadań badawczych (etapów) w tej części projektu należą:
Zadanie 8: Projekt termicznie stabilizowanej wnęki optycznej
Będzie to komora optyczna o wysokiej dobroci z precyzyjną kontrolą ciśnienia i temperatury gazu w jej wnętrzu.
Zadanie 9: Analiza eksperymentalna termicznie stabilizowanej wnęki optycznej
Wykonane to zostanie z użyciem podzespołów próżniowych, mechanicznych, termicznych, elektronicznych i optycznych.
Zadanie 10: Charakteryzacja funkcjonalności termicznie stabilizowanej wnęki optycznej
Zweryfikowane zostaną własności funkcjonalne układu i zastosowania w spektroskopowych pomiarach referencyjnych.

Harmonogram prac w projekcie:

Harmonogram_zadan

 RPO_identyfikator_tekst