Пространственная и временная локализация квантовых излучателей в наноразмерных резонаторах для задач детектирования, микроскопии и спектроскопии

Название НИОКТР	Пространственная и временная локализация квантовых излучателей в наноразмерных резонаторах для задач детектирования, микроскопии и спектроскопии
Аннотация	Детектирование, сенсорика и спектроскопия на одномолекулярном уровне – стремительно развивающаяся область науки, лежащая на стыке нанофотоники, химии и биохимии. Одной из фундаментальных проблем этого направления является осуществление эффективного взаимодействия света с одиночным квантовым излучателем (молекулой красителя, квантовой точкой, центром окраски в наноалмазе), расположенным вблизи одиночной наноструктуры, формирующей заданное пространственно-спектральное локальное поле. Для широкого круга задач в областях биодетектирования и биовизуализации оптимальным является использование молекул органических красителей в качестве флуоресцентных меток для биомолекул. Решение проблемы взаимодействия молекулы красителя с одиночной наноструктурой невозможно без развития методов локализации и удержания одиночных молекул в пространстве с нанометровой точностью. К настоящему времени существует несколько подходов к локализации единичных молекул: (1) помещение молекул в полимерную матрицу, (2) использование оптического пинцета, (3) иммобилизация молекул за счет химических и биохимических реакций на поверхностях. В настоящем проекте предлагается исследовать динамику локализации молекул за счёт неспецифического связывания на границе раздела двух сред – вода/кварц, а также возможностью управления этим процессом с нанометровой пространственной точностью. Контроль пространственной локализации молекул планируется осуществить с использованием волноводов нулевой моды (zero mode waveguide, ZMW, запредельный волновод) – основного инструмента современных методов детектирования, спектроскопии одиночных молекул, одномолекулярного секвенирования молекул ДНК. Волноводы нулевой моды представляют собой сквозные наноотверстия с типичным диаметром от 50 до 200 нм, изготовленные в металлической пленке толщиной 50 – 200 нм. Малый по отношению к длине волны видимого излучения размер наноотверстия не позволяет свету распространяться через него, при этом возникает усиленное поле, которое локализовано вблизи дна ZMW наноотверстия. Квантовые излучатели возбуждаются и могут быть зарегистрированы только в этой области. Характерные значения объема области поля, локализованного в таком наноотверстии, находятся в аттолитровом диапазоне, что дает возможность наблюдать флуоресценцию от единичных молекул, не возбуждая паразитный сигнал от окружения, который эффективно блокируется металлической плёнкой. В предлагаемом проекте планируется впервые реализовать детектирование, сенсорику и спектроскопию малых концентраций молекул аналита при помощи управляемой локализации молекул в ZMW. Проведённые предварительные исследования показали, что за счет этого эффекта молекула может удерживаться в области ZMW наноотверстия на временных масштабах нескольких секунд, после чего она может делокализоваться. При должном развитии, этот подход позволит локализовать одиночные молекулы в пространстве на нанометровом масштабе в физиологических средах. Длительное время локализации позволит детектировать флуоресценцию молекул с большим отношением сигнал/шум, а также производить спектроскопию на уровне единичной молекулы. Важный прикладной аспект такого подхода в сенсорике – возможность масштабирования. На одной подложке можно разместить до 25 млн. ZMW, что позволит создавать сенсоры с ультра-высокой чувствительностью и рекордно быстрым временем измерения (за счёт параллельного измерения сигнала с большого числа ZMW наноотверстий). Изучение химических и биологических процессов на уровне единичных молекул позволяет избавиться от экспериментальных артефактов, связанных с коллективными эффектами. Развиваемые в проекте подходы позволят существенно увеличить чувствительность химических и биосенсоров, доводя ее до фундаментального предела, ограниченного дробовым шумом выборки. Предполагаемые результаты выполнения проекта будет иметь большое значение для дальнейшего развития сенсорики, детектирования и спектроскопии единичных молекул.
Доступ к ОКОГУ исполнителя	False
Количество связанных РИД	0
Количество завершенных ИКРБС	0
Сумма бюджета	3000.0
Дата начала	2025-09-15
Дата окончания	2027-06-30
Номер контракта	25-72-00108
Дата контракта	2025-09-15
Количество отчетов	2
УДК	535.33/.34:621.373.826
Количество просмотров	14
Руководитель работы	Гритченко Антон Сергеевич
Руководитель организации	Задков Виктор Николаевич
Исполнитель	ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
Заказчик	Российский научный фонд
Федеральная программа	Отсутствует
Госпрограмма	—
Основание НИОКТР	Грант
Последний статус	2025-11-05 09:07:30 UTC, 2025-11-05 09:07:30 UTC
ОКПД	Услуги, связанные с научными исследованиями и экспериментальными разработками в области биотехнологии в области здоровья
Отраслевой сегмент	—
Минздрав	—
Межгосударственная целевая программа	—
Ключевые слова	нанофотоника; наноплазмоника; сенсорика; водородная связь; локализация; неспецифическое связывание; детектирование; ZMW; Волновод нулевой моды
Соисполнители	—
Типы НИОКТР	Фундаментальное исследование
Приоритетные направления	—
Критические технологии	—
Рубрикатор	29.31.29 - Формирование оптического изображения. Оптические приборы и оптические методы измерений; 29.33.49 - Лазерная спектроскопия; 34.05.17 - Методы биологических исследований; 62.61.61 - Биомаркеры для диагностики. Мишени лекарственных средств
OECD	—
OESR	Оптика (включая лазерную оптику и квантовую оптику)
Приоритеты научно-технического развития	в) переход к персонализированной, предиктивной и профилактической медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов (прежде всего антибактериальных) и использования генетических данных и технологий;
Регистрационные номера	—