Спектроскопия одиночных молекул
Физик Андрей Наумов о лазерной селективной спектроскопии, свечении единичных атомов и строении спектра молекулы
Можно ли увидеть свечение одиночной молекулы? Этот вопрос интересует человека уже многие-многие годы, потому что фактически это познание вещества, познание материи на минимально возможном уровне. И конечно, такие попытки предпринимались, есть сведения о том, что уже в начале XIX века ученые предполагали, что если не свечение отдельных молекул, то по крайней мере флуктуации в концентрации молекул можно будет увидеть. В то же время на заре квантовой механики Эрвин Шрёдингер в своих трудах высказал утверждение, что мы не проводим эксперименты с одиночными электронами, атомами и простыми молекулами. Это была середина XX века, 1950-е годы.
Но тем не менее попытки увидеть свечение сначала малых ансамблей молекул и перейти к единичным молекулам предпринимались. И успех пришел с появлением лазерных источников света, то есть это 60–70-е годы, вторая половина XX века. И эти работы получили свое начало с развитием направления лазерной селективной спектроскопии. Благодаря усилиям многих-многих ученых в разных странах, в том числе в Советском Союзе, за рубежом, было показано, что, когда мы используем высокополосные лазерные источники света, у нас появляется возможность возбуждать свечение малых ансамблей молекул. А далее при понижении концентрации и варьировании других экспериментальных параметров оказывается возможным перейти и к одиночным молекулам, то есть увидеть свечение одиночных молекул, зарегистрировать так называемые спектры одиночных молекул. Конечно, для этого в первую очередь нужно существенно уменьшить концентрацию этих самых светящихся молекул. Во-вторых, желательно их жестко закрепить в каких-то матрицах, для этого их, в частности, замораживали в специально подобранных прозрачных растворах, помещали туда в малой концентрации такие люминесцирующие молекулы и добивались свечения одиночных молекул.
Здесь нужно сказать, что эксперименты по регистрации свечения единичных атомов были проведены гораздо раньше, в 1970-х годах, кстати, у нас в стране в Институте спектроскопии российской тогда еще Академии наук Советского Союза были проведены пионерские эксперименты по регистрации свечения одиночных атомов. Но оказалось, что атомы регистрировать проще, потому что их фиксировали в специально подобранных электромагнитных ловушках, фактически атом жил так долго, сколько его держали в ловушке. А с органическими молекулами дело обстояло сложнее, во-первых, потому, что они сами по себе сложнее, во-вторых, когда их фиксировали в твердых матрицах, очень большая подставка от самой матрицы, от твердого тела мешала зарегистрировать свечение одиночной молекулы. А кроме того, происходила фотодеградация, фотовыжигание таких одиночных молекул, и не успевали набрать нужное количество фотонов, для того чтобы зарегистрировать свечение одиночной молекулы.
Но техника не стояла на месте, появились высокочувствительные детекторы, появилось понимание, как устроен спектр одиночной молекулы, как молекула высвечивает фотоны люминесценции. И вот на рубеже 80–90-х годов были проведены пионерские эксперименты по детектированию одиночных молекул. В 1989 году в лаборатории IBM в Соединенных Штатах были проведены эксперименты по детектированию спектра поглощения одиночной молекулы в твердой матрице. А буквально спустя несколько месяцев в университете города Бордо был зарегистрирован спектр возбуждения флуоресценции одиночной молекулы. И было показано, что в случае, когда мы регистрируем свечение одиночной молекулы, отношение сигнала к шуму регистрируемого сигнала значительно превышает соответствующие параметры при регистрации спектров поглощения. И вот с этого момента, с начала 90-х годов прошлого столетия, начался бурный рост количества исследований в этом направлении.
Почему такой интерес к направлению спектроскопии одиночных молекул? Во-первых, потому, что человеку хотелось познавать мир на минимально возможном уровне, на уровне одиночных молекул, из которых состоит вещество.
Во-вторых, как оказалось, параметры этого свечения, спектры люминесценции одиночных молекул, чрезвычайно чувствительны к параметрам локального окружения молекулы. И таким образом, каждую молекулу можно использовать в качестве своеобразного зонда, такого наношпиона, который передает информацию наблюдателю о своем локальном нанометровом окружении.
Это значит, что мы можем изучать структуру и динамику материалов, в которые внедрены молекулы, в микроскопическом, наноскопическом масштабе.
Третий момент: как оказалось, возможность регистрации свечения одиночных молекул может быть положена в основу бурно развивающегося направления оптической наноскопии — микроскопии сверхвысокого пространственного разрешения, то есть когда мы в дальнем поле с помощью люминесцентного микроскопа, обычного оптического микроскопа, можем реализовать нанометровое пространственное разрешение при изучении структуры различных материалов.
И наконец, четвертый момент связан с тем, что вся та техника, которая была реализована при развитии спектроскопии одиночных молекул, служит основой для огромного количества прикладных работ в самых-самых разных областях современного естествознания: в биофизике, медицинской физике, материаловедении, разумеется, в нанотехнологиях, в квантовой информатике. Буквально несколько примеров. Можно пометить с помощью одиночной молекулы вирус и посмотреть, каким образом вирус проникает внутрь клетки, посмотреть траекторию движения вируса и даже понять, каким образом он проникает в клеточную жидкость, каким образом этот вирус поражает ядро клетки. Разумеется, в квантовой информатике при разработке современных подходов к квантовым компьютерам одиночная молекула, одиночный квантовый источник — это фактически источник одиночных фотонов, которые также могут быть использованы в квантовой информатике. И таких впечатляющих направлений для использования наработок в спектроскопии одиночных молекул очень много. И в этом смысле можно сказать, что спектроскопия одиночных молекул и возможность детектирования свечения от одной-единственной молекулы — это очень перспективный и важный шаг в развитии современной науки.
Конечно, хотелось бы отметить очень важную роль и значительный вклад наших соотечественников в работы, посвященные селективной лазерной спектроскопии органических молекул в твердых матрицах, — это работы коллектива под руководством Шпольского в Московском педагогическом тогда еще государственном институте, сейчас университете, это работы коллектива под руководством профессора Персонова в Институте спектроскопии Академии наук, это работы научных коллективов из республик бывшего Советского Союза, из Института физики в городе Тарту в Эстонии, это работы наших минских коллег. И важно отметить, что интерес к этой тематике не пропадает до сих пор, эти научные школы живут. И сейчас эта тематика продолжает развиваться в том числе и у нас в стране, в Институте спектроскопии Российской академии наук, в Московском педагогическом государственном университете, мы продолжаем работы по спектроскопии одиночных молекул.
И мы как раз используем то обстоятельство, что спектры люминесценции одиночных молекул, внедренных в твердые матрицы, чрезвычайно чувствительны к своему локальному окружению. Таким образом, расшифровывая спектр люминесценции, мы можем судить, какова структура материала, какова структура твердой матрицы и какие динамические процессы протекают в этой матрице на расстоянии буквально несколько нанометров от такого примесного люминесцентного зонда. Эти исследования позволяют судить о том, как устроена материя, как можно использовать эти материалы в каких-то прикладных работах, давать какие-то рекомендации специалистам-материаловедам, для того чтобы создавать материалы и устройства с наперед заданными свойствами, для того чтобы судить о том, как происходит процесс старения материалов, изучать разнообразные свойства, такие как теплоемкость, теплопроводность и так далее. Причем все это можно делать в нанометровом масштабе.
Андрей Наумов
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
