Анотація до роботи:

Фесенко О.М. Ефекти та механізми підсилення оптичних переходів біоорганічних молекул на металевій поверхні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальність 01.04.05 – оптика, лазерна фізика. – Інститут фізики НАН України, м. Київ, 2007.

Вперше проведено систематичне дослідження впливу низки факторів (типу та морфології шорсткої поверхні металу, способів осадження молекул, pH, типу молекулярних груп) на підсилення ІЧ поглинання біоорганічних молекул (G, a-Gly, БСА, ДНК, п-НБК, комплексу Eu(DBM)₃bath) біля наноструктурованої металевої поверхні. Визначено умови виготовлення металевих поверхонь та способів осадження молекул для отримання максимального підсилення сигналу в ІЧ спектрах. На підставі ефекту SEIRA розроблено методику детектування малих кількостей біологічних молекул та визначення конформаційних станів макромолекул – ДНК і білків.

Показано, що найкраще підсилюється поглинання структурних груп типу кілець з -електронною системою та груп з неподіленою парою електронів. Підсилення більше ніж у 100 разів вдається зареєструвати для тонких шарів БСА близьких до моношарів та для молекул п-НБК у випадках, коли молекули регулярно організовані або хімічно адсорбовані на поверхню золота. Коефіцієнт підсилення ІЧ поглинання для багатошарових плівок молекул, осаджених на золото, зменшується із збільшенням кількості шарів молекул і досягає 2-7 разів для різних молекулярних груп. Його можна збільшити в 3-12 разів для плівок отриманих термічним вакуумним напиленням молекул на поверхню золота порівняно з плівками, осадженими з водного розчину.

У дисертації вперше проведено систематичне дослідження впливу низки факторів (типу та топології поверхні, способів осадження, структури молекул, pH) на підсилення ІЧ поглинання біоорганічних молекул (G, a-Gly, БСА, ДНК, п-НБК, комплексу Eu(DBM)₃bath), адсорбованих на наноструктуровану поверхню металу:

1. На підставі ефекту SEIRA розроблено методику детектування малих кількостей біологічних молекул, моношарів та визначення конформаційних станів макромолекул – ДНК і білків.

2. Показано, що шорстку металеву поверхню можна ефективно застосовувати для визначення конформаційного стану складних макромолекул - білків та ДНК. Шорстка поверхня плівки золота не впливає на конформацію молекул БСА та ДНК порівняно з колоїдним золотом, яке індукує перехід окремих частин ДНК в А, B та Z форму.

3. Експериментально досліджено вплив типу металу та топології його поверхні (форми та розміру шорсткостей, товщини плівки) на ефект SEIRA. Визначені умови виготовлення металевих поверхонь і способів осадження молекул для отримання максимального підсилення сигналу в ІЧ спектрах. Максимальне підсилення забезпечують плівки золота товщиною 170-250 , з середньою висотою шорсткості 10-20 та діаметром 200-900 (еліпсоїдальної форми). Використовуючи експериментальні значення оптичних констант n і к для деяких металів (Ag, Au, Cu, Mo, Pt, Ni, Ir) розраховано коефіцієнти підсилення електричного поля біля їх поверхні. Розрахунки показали, що Au, Ag та Cu - найвдаліші підсилюючі поверхні в ІЧ області.

4. Поглинання різних молекулярних груп підсилюється по-різному. Найкраще підсилюється поглинання структурних груп типу кілець з -електронною системою та груп з неподіленою парою електронів. Зареєстровано значне підсилення (~100 разів) для тонких шарів БСА близьких до моношарів та порядку 200 разів для молекул п-НБК у випадках, коли молекули регулярно організовані або хімічно адсорбовані на шорстку поверхню золота.

5. Для багатошарових плівок (G, a-Gly, ДНК, БСА, комплексу Eu(DBM)₃bath) підсилення поглинання було 2-7 разів для різних молекулярних груп. Коефіцієнт підсилення поглинання для багатошарових плівок молекул можна збільшити в 3-12 разів у випадку, коли молекули близько знаходяться біля металу (продемонстровано на плівках, отриманих термічним вакуумним напиленням молекул a-Gly порівняно з плівками, осадженими з водного розчину).

Публікації автора:

1. Dovbeshko G.I., Paschuk O.P., Fesenko O.M., Chegel V.I., Shirshov Yu.M, Nazarova A.A., Kosenkov D.V. Biological Molecule Conformations Probed and Enhanced by Metal and Carbon Nanostructures: SEIRA, AFM and SPR data // Book “Fronties of Multifunctional Integrated Nanosystems”; Ed. E. Buzaneva, P. Scharff.– G.: Kluwer Academic Publishers, 2004. – Science Series II, Vol 152.- P.447-466.

2. Dovbeshko G.I., Fesenko O.M., Shirshov Yu.M., Chegel V.I. The enhancement of optical processes near rough surface of metals // Semiconductor, Quantum Electronics and Optoelectronics. – 2004. – Vol.7, №4. – P.411-424.

3. Dovbeshko G., Fesenko O., Chegel V., Shirshov Yu., Kosenkov D., Nazarova A. Effect of nanostructured gold surface on the SEIRA spectra of nucleic acid, аlbumin, a-Glycine and Guanine // Asian Chemistry Letter. – 2006. – Vol.10, №1-2. – P.33-48.

4. Довбешко Г.І., Образцова О.Д., Фесенко О.М., Яковкін К.І. Реактивність одності-них вуглецевих нанотрубок при взаємодії з біологічними макромолекулами - ДНК і білками // Sensor Electronics and Microsystem Technologies.–2006.–Vol.1.–P.36-46.

5. Dovbeshko G., Fesenko O., Nazarova A. Effect of nanostructured metal surface on SEIRA spectra of albumin and nucleic acids // Journal of Physical Studies.–2006.– Vol.10, №2. – P.127-134.

6. Dovbeshko G.I., Shirshov Yu.M., Chegel V.I., Fesenko O.M. Experimental and calculated enhancement factor in the SEIRA method // SPIE.- 2004. – Vol.5507. – P.386-395.

7. Dovbeshko G., Fesenko O., Fedorovich R., Gavrilko T., Marchenko A., Puchkovska G., Viduta L., Naumovets A. FTIR spectroscopic analysis and STM studies of electroluminescent Eu(DBM)₃bath thin films vacuum deposited onto Au surface // Journal of Molecular Structure. – 2006. – Vol.792-793. – P.115-120.

8. Довбешко Г.І., Ширшов Ю.М., Фесенко О.М. Механізми та застосування ефекту підсилення оптичних переходів поблизу поверхні металів // Тез. доп. ІІІ-го з’їзду українського біофізичного товариства. Львів, 8-11 жовт. 2002.–Львів, 2002. – C.120.

9. Dovbeshko G.I., Shirshov Yu.M., Fesenko O.M. Experimental and calculated enhancement factor in the SEIRA method // Spectroscopy of molecules and crystals: Proc.XVI-th International School-Seminar. Sevastopol, 25 May-01 June 2003. – Sevastopol, 2003.– P.338.

10. Dovbeshko G.I., Shirshov Yu.M., Chegel V.I., Fesenko O.M. Calculated and experimental enhancement factor in the SEIRA method for different surfaces // Problems of Optics and high technology material science (SPO): Proc. 4-th International Young Sci. Conf. Kyiv, 23-26 Oct. 2003.– Kyiv, 2003. – P.27.

11. Довбешко Г.І., Фесенко О. Детектування малих кількостей біологічних молекул та їх конформацій на основі ефекту підсилення оптичних сигналів // Сенсорна електроніка та мікросистемні технології (СЕМСТ-2): 2-а Міжнар. наук.-техн. конф. Одеса, 26-30 черв. 2006. – Одеса, 2006. – C.185.

12. Фесенко О.М., Довбешко Г.І., Ширшов Ю.М., Чегель В.І. Застосування ефекту підсилення оптичних переходів для підвищення чутливості оптичних біосенсорів, що базуються на реєстрації конформаційного стану біомолекул // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології (СЕМСТ-1): 1-а Міжнар. наук.-техн. конф. Одеса, 1-5 черв. 2004.– Одеса, 2004. – С.46-47.

13. Dovbeshko G.I., Shirshov Yu.M., Chegel V.I., Fesenko O.M. Influence of surface metal geometry on enhancement factor in SEIRA and SPR experiments // Problems of Optics and High Technology Material Science (SPO): Proc. 5-th International Young Sci. Conf. Кyiv, 28-31 Oct. 2004. – Кyiv, 2004.– P.32.

14. Fesenko O.M., Dovbeshko G.I., Shirshov Yu.M., Chegel V.I. Enhancement factor in SEIRA spectra of guanine and zwitterionic and monoionic form of а-Glycine // Spectroscopy of Biological molecules: Proc. 11-th European Conf. Aschaffenburg, 3-8 Sept. 2005.– Aschaffenburg (Germany), 2005.– P.134.

15. Dovbeshko G.I., Shirshov Yu.M., Chegel V.I., Fesenko O.M. Dependence of the enhancement factor on thickness of metal island films and type of adsorbed molecular groups // Proc. VIII-th International Conf. on Molecular Spectroscopy. Wroclaw, 13-18 Sept. 2005.– Wroclaw (Poland), 2005.– P.23.

16. Dovbeshko G., Fesenko O., Fedorovich R., Gavrilko T., Marchenko A., Naumovets A., Puchkovska G., Viduta L. FTIR spectroscopic analysis and STM studies of electroluminescent Eu(DBM)₃bath thin films vacuum deposited onto Au surface // Proc. VIII-th International Conf. on Molecular Spectroscopy. Wroclaw, 13-18 Sept. 2005.– Wroclaw (Poland), 2005.– P.28.

17. Fesenko O., Dovbeshko G. Gold surface influence on vibration modes of a-Gly in zwitterionic and monoionic forms and guanine // Spectroscopy of Molecules and Crystals (ISSSMC): Proc. XVII-th International School-Seminar. Beregove, 20-26 Sept. 2005. – Beregove (Crimea), 2005. – P.165-166.

18. Dovbeshko G., Fesenko O., Nazarova A. Detection of extra-small amount of substances by SEIRA spectroscopy // Spectroscopy of Molecules and Crystals (ISSSMC): Proc. XVII-th International School-Seminar. Beregove, 20-26 Sept. 2005.– Beregove (Crimea), 2005.– P.303.

19. Dovbeshko G., Fesenko O., Kshnyakina S. Vibration modes and H-bond in zwitterionic and monoionic forms of glycine at gold surface // Proc. III-th International Conf. on Hydrogen bonding and Molecular Interactions. Kyiv, 15-21 May 2006. – Kyiv, 2006. – P.42.

20. Petric I., Fesenko O., Smirnova N., Dovbeshko G., Gayvoronsky V. H-bonds at the surface of nanostructured TiO₂ films and powders // Proc. III-th Internation Conf. on Hydrogen bonding and Molecular Interactions.Kyiv, 15-21 May 2006. – Kyiv, 2006. – P.138.

21. Dovbeshko G., Gayvoronsky V., Fesenko O., Petric I. Nanocrystalline TiO₂ enhances the phonon modes of biological molecules: SEIRA effect on dielectric surface //Science and Technology (PSST): Proc. 5-th International Conf. on Porous Semiconductors.Sitges-Barcelona, 12-17 March 2006.– Sitges-Barcelona (Spain), 2006.–P.403-404.

22. Довбешко Г.І., Образцова О., Фесенко О., Яковкін К. Реактивність одностіних вуглецевих нанотрубок при взаємодії з біологічними макромолекулами - ДНК і білками // Сенсорна електроніка та мікросистемні технології (СЕМСТ-2): 2-а Міжнар. наук.-техн. конф. Одеса, 26-30 черв. 2006.– Одеса, 2006.– C.179.

23. Довбешко Г.И., Фесенко О.М. Структура и свойства металлических наноповерхностей, усиливающих оптические сигналы // Методологические аспекты сканирующей зондовой микроскопии: VII Междунар. семинар. Минск, 1-3 ноября 2006.– Минск (Беларусь), 2006.– С.126-127.