Научный центр наноинженерии фотонных материалов для биомедицины и оптоэлектроники (НАНО-ФОТОН)

С помощью данной установки выполняется коллоидный синтез широкого ассортимента полупроводниковых, магнитных и металлических нанокристаллов в органической и водной средах. Синтез квантовых точек (КТ) производится в инертной атмосфере в среде органического растворителя при температурах до 350 °С.

В состав установки входят:

• набор стеклянных колб-реакторов объемом от 25 до 250 мл;
• комплект колбонагревателей для колб 25 – 250 мл (до 450 °С);
• система подачи инертного газа и вакуумирования;
• химический вакуумный насос KNF;
• магнитная мешалка IKA/механическая мешалка Heidolph;

Созданный в Научном центре Нано-Фотон НИЯУ МИФИ программно-аппаратный комплекс позволяет:

• моделировать строение и форму квантовых точек типа «ядро/оболочка»,
• на основе построенной модели рассчитывать необходимые количества реагентов для синтеза квантовых точек заданной структуры,
• производить подготовку микропрограммы для проведения синтеза,
• производить программируемый синтез квантовых точек «ядро/оболочка» с заданной структурой оболочки посредством последовательного или одновременного введения реагентов в реакционную смесь,
• производить автоматизированную обработку спектров поглощения и флуоресценции квантовых точек, определять значение квантового выхода флуоресценции.

Состав комплекса:

• Пакет ПО для моделирования и подготовки программы синтеза: Nanocrystal Builder, Nanocrystal Editor, GCoder, Synthesis Commander, SpectraProcessor,
• двухрежимный автоматический термоконтроллер (режимы поддержки постоянной мощности или температуры) с возможностью записи данных и управления с ПК,
• пятиканальный шприцевой насос, позволяющий производить независимую дозировку до 5 реагентов с точностью до 5 мкл.

Возможности комплекса:

• синтез квантовых точек или квантовых стержней с «классическими» оболочками ZnS или CdS, многослойными оболочками, градиентными оболочками;
• синтез ряда наноматериалов с воспроизводимыми свойствами (ZnO, SiO2, магнитные наночастицы и др.)
• высокая воспроизводимость результатов: при синтезе квантовых точек одинаковой структуры, но при использовании различных лотов ядер квантовых точек и прекурсоров оболочки достигается воспроизводимость положений максимумов поглощения и флуоресценции в пределах ±5 нм;
• масштабируемость синтеза: методики синтеза квантовых точек различной структуры легко масштабируются до величин порядка 5 г на один синтез.

• центрифуга Hettich Universal 320 (до 100 мл)
• центрифуга Eppendorf 5418 (до 2 мл)
• роторно-вакуумный испаритель Heidolph Hei-Vap Value Digital
• набор хроматографических колонок для проведения гель-проникающей хроматографии

Cпектрофотометр Agilent Cary 60, оснащенный дополнительными модулями для исследований пленочных образцов и исследований кинетики химических реакции в режиме Stop-flow.

Спектрофотометр Agilent Cary 60 UV-Vis позволяет производить измерения оптического поглощения образцов:

• в диапазоне длин волн от 190 до 1100 нм
• с высокой скоростью сканирования - до 24000 нм/мин
• с быстропротекающими реакциями в режиме «stopped flow»
• а также твёрдотельных образцов с использованием дополнительных аксессуаров:

Cпеткрофлуориметр Agilent Cary Eclipse, оснащенный дополнительными модулями для исследований образцов в многолуночных планшентах, исследований пленочных образцов, исследования кинетики реакций в режиме Stop-flow, ислледований поляризованной флуоресценции.

Спектрофлуориметр Cary Eclipse позволяет производить измерения:

• интенсивности флуоресценции, фосфоресценции, химической/биолюминесценции и растворов в диапазоне длин волн до 900 нм;
• кинетики быстропротекающих процессов со скоростью сканирования до 24000 нм/мин и до 80 точек/сек в стационарном режиме фолюоресцении;
• образцов малых концентраций и объёмов менее 0.5 мл, а также образцов микропланшетного формата при использовании дополнительны аксессуаров;
• твёрдотельных образцов (мелких порошков, плёночных образцов и пр.) с использованием оптоволоконного зонда.

Спектрометр Ocean Optics HR-2000+ES, MayaPro 2000 и Avantes AvaSpec-NIR256-1.7, позволяющий исследовать поглощение и флуоресценцию образцов наноматериалов в видимой, ближней и средневолновой ИК-областях, а также производить мониторинг процесса синтеза нанокристаллов в реальном времени с использованием погружного оптического зонда.

В состав комплекса входят:

• спектрометр Ocean Optics HR-2000+ES для области видимого спектра: матричный детектор для спектральной области 190 – 1100 нм, время накопления сигнала 1 мс – 65 сек, динамический диапазон – 8,5 × 107, соотношение сигнал:шум – 250:1;
• спектрометр Ocean Optics Maya Pro 2000 для области ближнего ИК-диапазона: матричный детектор для спектральной области 600 – 1100 нм, время накопления сигнала 7,2 мс – 5 сек, динамический диапазон – 15000, соотношение сигнал:шум – 450:1
• спектрометр Avantes AvaSpec-NIR256-1.7
• набор оптических волокон для видимой и ближней/средней ИК-областей;
• держатель кювет;
• держатель светофильтров;
• интегрирующая сфера;
• набор светодиодных источников возбуждения 405 нм, 532 нм, 625 нм;
• источник белого света DH-2000, имеющий дейтериевую и галогенную лампу;
• термостойкий и химически стойкий погружной зонд TP-300 для измерения спектров поглощения и флуоресценции растворов in situ (до 300 °С).

В состав установки входят:

• фемтосекундный твердотельный лазер Tsunami (Newport Corporation - США) с возможностью перестройки лазерного излучения в диапазоне от 700 до 1000 нм без удвоения частоты и от 350 до 450 нм при использовании блока генерации второй гармоники. Частота следования лазерных импульсов 80 МГц, с возможностью понижения до 1 кГц. Максимальная средняя мощность до 2,2 Вт, характерная длительность импульса 60 фс;
• пикосекундный твердотельный лазер производства НИИ Полюс (Москва). Длина волны излучения 532 нм, частота следования импульсов 50 Гц, средняя мощность 10 мВт, длительность импульса 350 пс;
• автоматизированный монохроматор/спектрограф М-266 (Solar Laser Systems -Беларусь). Укомплектован четырьмя дифракционными решетками 200,400,600 и 1200 штр/мм. В качестве детекторов используются кремниевая ПЗС линейка (Hamamatsu), ФЭУ R1926A (Hamamatsu) и германиевый фотодиод ФД-7Г;
• цифровой осциллограф DPO 3054 с полосой пропускания 500 МГц и частотой дискретизации 2,5 ГГц.

Характеристики оборудования, входящего в состав установки, позволяют производить следующий перечень базовый исследований:

• исследование спектров люминесценции наноструктур и композитных материалов на их основе в диапазоне от 260 до 1500 нм.
• исследование спектров люминесценции наноструктур и композитных материалов на их основе в режиме двухфотонного возбуждения.
• исследование кинетики люминесценции наноструктур и композитных материалов на их основе в спектральном диапазоне 260-850 нм с временным разрешением не хуже 3 нс.

Спин-коатер KW-4A

Позволяет создавать тонкие пленки полупроводниковых нанокристаллов или композитных материалов на их основе, а также многослойные фотовольтаические или светоизлучающие устройства на стеклянных или пластиковых подложках.

Симулятор солнечного спектра (АМ-1,5) Oriel Solar simulator LCS-100

Предназначен для исследования фотовольтаических устройств на основе полупроводниковых нанокристаллов.

Прецизионный источник/измеритель Keithley Instruments 2635A

Позволяет производить подачу и измерение напряжения и тока в пределах 200 мВ – 200 В/10 нА – 10А с высокой точностью и скоростью измерений. Может быть использован для характеризации электрофизических свойств материалов или в установках электрохимического травления.

Инвертированный микроскоп Carl Zeiss Axio Observer

Микроскоп позволяет наблюдать образцы в проходящем и отраженном свете, а также оснащен набором светофильтров для наблюдения флюоресцентных изображений в различных спектральных областях. Регистрация микрофотографий осуществляется высокочувствительной монохромной камерой.

Прибор может быть использован для исследования морфологии тонких пленок нанокристаллов, агрегатов нанокристаллов или композитов на их основе.

Прибор для характеризации размеров и зета-потенциала наночастиц методом динамического рассеяния света Malvern Zetasizer NanoZS

Прибор позволяет производить измерение распределения ансамблей наночастиц в виде коллоидного раствора по размерам. Измерения могут проводиться как в водной, так и в органической средах. С использованием специализированных кювет возможно проведение измерения поверхностного потенциала наночастиц в водных растворах.

Характеристики прибора:

• диапазон размеров частиц в коллоидном растворе: 1 – 10000 нм;
• минимальный объем образца – 12 мкл;
• температурный интервал измерений: 0 - 90 °С;
• углы измерения: 13°, 173°.

Уникальная научная установка - Фемтосекундный лазерный квадрупольный масс-спектрометр

Фемтосекундный лазерный квадрупольный масс-спектрометр в отличие от аналогов обладает рекордно высоким пространственным разрешением. Установка позволяет в режиме лазерной десорбции с последующей многоступенчатой и многофотонной ионизацией и в режиме поверхностной лазерной ионизации проводить анализ с разрешением на уровне 100нм. Установка включает в себя квадрупольный масс-спектрометр, лазерную систему с перестройкой длины волны излучения, а также комплекс сервисной аппаратуры для диагностики характеристик лазерного излучения (длины волны, длительности импульса, энергии в импульсе) и масс-спектрометра. Помимо измерений в режиме лазерной десорбции, установка также позволяет исследовать образцы материалов методом термопрограммируемой десорбции с масс-спектрометрической регистрацией десорбируемых веществ.

67. Biny, L., Gerasimovich, E., Karaulov, A., Sukhanova, A., Nabiev, I. (2024) Functionalized calcium carbonate-based microparticles as a versatile tool for targeted drug delivery and cancer treatment. Pharmaceutics, 16, 653. IF=6.525 | Q1.

66. Olejniczak, A., Lawera, Z., Zapata-Herrera, M., Chuvilin, A., Samokhvalov, P., Nabiev, I., Grzelczak, M., Rakovich, Yu., Krivenkov, V. (2024) On-demand reversible switching of the emission mode of individual semiconductor quantum emitters using plasmonic metasurfaces. APL Photonics, 9 (1), 016107. IF=3.971 | Q1.

66. Gulevich, D., Nabiev, I., Samokhvalov, P. (2024) Machine learning–assisted colloidal synthesis: A review. Materials Today Chemistry, 35, 101837. IF=7.613 | Q1.

65. Nifontova, G., Charlier, C., Ayadi, N., Fleury, F., Karaulov, A., Sukhanova, A., Nabiev, I. (2024) Photonic crystal surface mode real-time imaging of RAD51 DNA repair protein interaction with the ssDNA substrate. Biosensors, 14 (1), 43. IF=5.743 | Q2.

64. Nifontova, G.O., Nabiev, I.R. (2023) A microfluidic platform based on one-dimensional photonic crystals for label-free optical detection of oligonucleotides. Optika i Spektroscopiya [Optics and Spectroscopy], 131 (11), 1601–1605[in Russian].

63. Knysh, A.A., Gerasimovich, E.S., Samokhvalov, P.S., Sukhanova, A.V., Nabiev, I.R. (2023) Resonance energy transfer in hydrogels based on quantum dots and recognizing antibodies: A prototype nanophotonic immunodiagnostic system. Optika i Spektroscopiya [Optics and Spectroscopy], 131 (10), 1412–1417 [in Russian].

62. Knysh, A.A., Gulevich, D.G., Nabiev, I.R., Samokhvalov, P.S. (2023) Temporal stability of the optical characteristics of thin films based on CsPbBr₃ perovskite nanocrystals and the p(MMA–LMA) copolymer. Optika i Spektroscopiya [Optics and Spectroscopy], 131 (9), 1268–1273 [in Russian].

61. Samokhvalov, P.S., Karaulov, A.V., Nabiev, I.R. (2023) Control of the photoluminescence lifetime of quantum dots by engineering their shell structure. Optika i Spektroscopiya [Optics and Spectroscopy], 131 (9), 1262–1267 [in Russian].

60. Nabiev, I.R., Baryshnikova, M.A., Sokolova, Z.A., Sokolov, P.M., Karaulov, A.V. (2023) Multiparametric immunohistochemical analysis in cancer diagnosis (literary review). Russian Journal of Biotherapy, 22 (4),10–16.

59. Sarychev, A.K., Ivanov, A.V., Bykov, I.V., Bakholdin, N.V., Mochalov, K.E., Shestopalova, M.S., Oleinikov, V.A., Gushchin, V.A., Nabiev, I.R., Sukhanova, A.V. (2023) Planar SERS sensors for SARS-CoV-2 virus detection. In: 2023 Days on Diffraction (DD), IEEE Xplore, 1–4.

58. Granizo, E., Kriukova, I., Samokhvalov, P., Nabiev, I. (2023) Enhancement of quantum dot fluorescence by a metal nanoparticle/porous silicon microcavity hybrid system. EPJ Web of Conferences, 287, 04032.

57. Nifontova, G., Gerasimovich, E., Fleury, F., Sukhanova, A., Nabiev, I. (2023) Photonic crystal surface mode imaging for multiplexed real-time detection of antibodies, oligonucleotides, and DNA repair proteins. EPJ Web of Conferences, 287, 03007.

56. Nifontova, G., Kalenichenko, D., Kriukova, I., Terryn, C., Audonnet, S., Karaulov, A., Nabiev, I., Sukhanova, A. (2023) Impact of macrophages on the interaction of cetuximab-functionalized polyelectrolyte capsules with EGFR-expressing cancer cells. ACS Applied Materials & Interfaces, 15 (45), 52137–52149. IF=10.383 | Q1.

55. Knysh, A., Sokolov, P., Nabiev, I. (2023). Dynamic light scattering analysis in biomedical research and applications of nanoparticles and polymers. Journal of Biomedical Photonics & Engineering, 9 (2), 020203. IF=1.02.

54. Sokolov, P.M., Karaulov, A.V., Sukhanova, A.V., Nabiev, I.R. (2023) Tumor microenvironment biomarkers in breast cancer. Russian Journal of Biotherapy, 22 (1), 19–27.

53. Nifontova G.O., Kalenichenko D.V., Baryshnikova M.A., Sokolova, Z.A., Samokhvalov, P.S., Karaulov, A.V., Sukhanova, A.V., Nabiev, I.R. (2023) Nanoprobes based on fluorescent semiconductor nanocrystals and single-domain antibodies for highly sensitive detection of epidermal growth factor receptor in tumor cells. Russian Journal of Biotherapy, 22 (1), 68–75.

52. Gulevich, D.G., Tkach, A.A., Nabiev, I.R., Krivenkov, V.A., Samokhvalov, P.S. (2023) Tuning the luminescence of thin nanocrystalline CsPbBr₃ perovskite films during the in situ anion exchange reaction. Technical Physics, 68 (2), 241–247.

51. Sokolov, P., Samokhvalov, P., Sukhanova, A., Nabiev, I. (2023). Biosensors based on inorganic composite fluorescent hydrogels. Nanomaterials, 13 (11), 1748. IF=5.719 | Q1.

50. Kryukova, I.S., Granizo, E.A., Samokhvalov, P.S., Nabiev, I.R., Krivenkov, V.A. (2023) Hierarchical plasmon-optical cavities based on porous silicon photonic crystals for light-matter coupling with quantum emitters. Metamaterials XIV, Proceedings of SPIE, 12568, 1256816.

49. Sokolov, P., Nifontova, G., Samokhvalov, P., Karaulov, A., Sukhanova, A., Nabiev, I. (2023) Nontoxic fluorescent nanoprobes for multiplexed detection and 3D imaging of tumor markers in breast cancer. Pharmaceutics, 15 (3), 946. IF=6.525 | Q1.

48. Nifontova, G., Petrova, I., Gerasimovich, E., Konopsky, V..N, Ayadi, N., Charlier, C., Fleury, F., Karaulov, A., Sukhanova, A., Nabiev, I. (2023) Label-free multiplexed microfluidic analysis of protein interactions based on photonic crystal surface mode imaging. International Journal of Molecular Sciences, 24 (5), 4347. IF=6.208 | Q1.

47. Yamina, A., Nabiev, I. (2022). Porous InGaN-based metal-semiconductor-metal: Morphology and optical studies. Experimental and Theoretical NANOTECHNOLOGY, 6 (1), 1–5.

46. Nifontova, G., Fleury, F., Nabiev, I., Sukhanova, A. (2022). Label-free multiplexed analysis using photonic crystal-based biosensors. Journal of Physics: Conference Series, 2407 (1), 012031.

45. Knysh, A., Tkach, A., Gulevich, D., Nabiev, I., Samokhvalov, P. (2022) Optimization of CsPbBr₃ perovskite-based composite thin film fabrication processes for use in new-generation light emission diodes and photodetectors. Physics of Atomic Nuclei, 85, 1619–1624.

44. Martins, J.R., Krivenkov, V., Bernardo, C.R., Samokhvalov, P., Nabiev, I., Rakovich, Y.P., Vasilevskiy, M.I. (2022) Statistical analysis of photoluminescence decay kinetics in quantum dot ensembles: effects of inorganic shell composition and environment. Journal of Physical Chemistry C, 126 (48), 20480–20490. IF=4.177 | Q1.

43. Nifontova, G., Tsoi, T., Karaulov, A., Nabiev, I., Sukhanova, A. (2022) Structure–function relationships in polymeric multilayer capsules designed for cancer drug delivery. Biomaterials Science, 10 (18), 5092–5115. IF=7.59 | Q1.

42. Sukhanova, A., Bozrova, S., Gerasimovich, E., Baryshnikova, M., Sokolova, Z., Samokhvalov, P., Guhrenz, C., Gaponik, N., Karaulov, A., Nabiev, I. (2022) Dependence of quantum dot toxicity in vitro on their size, chemical composition, and surface charge. Nanomaterials, 12 (16), 2734 IF=5.719 | Q1.

41. Krivenkov, V., Samokhvalov, P., Martynov, I.L., Rakovich, Yu., Nabiev, I. (2022) A nano-hybrid plasmon-exciton material with an enhanced biexciton emission increases the efficiency of the photodetector at high excitation intensities. Optical Components and Materials XIX, Proceedings of SPIE, 11997, 119970Q.

40. Samokhvalov, P., Gulevich, D., Krivenkov, V., Vasil'evskii, I.S., Kargin, N.I., Nabiev, I. (2022) Nonlinear plasmon-exciton infrared photodetector operating in the two-photon absorption mode. Quantum Sensing and Nano Electronics and Photonics XVIII, Proceedings of SPIE, 12009, 120090N.

39. Tkach, A.A., Alexandrov, A.E., Saunina, A.Y., Lypenko, D.A., Nikitenko, V.R., Nabiev, I.R., Samokhvalov, P.S. (2022) Increasing the brightness and efficiency of quantum dot light-emitting diodes by optimizing the PMMA electron-blocking layer. Nanophotonics IX, Proceedings of SPIE, 12131, 1213110.

38. Krivenkov, V.A., Samokhvalov, P., Vasil’evskii, I.S., Sánchez-Iglesias, A., Grzelczak, M., Rakovich, Yu., Kargin, N.I., Nabiev, I. (2022) Nonlinear two-quantum energy transfer from plasmons to excitons extends the applications of quantum dots in optoelectronics. Nanophotonics IX, Proceedings of SPIE, PC12131, PC121310D.

37. Sarychev, A.K., Sukhanova, A., Ivanov, A.V., Bykov, I.V., Bakholdin, N.V., Vasina^, D.V., Gushchin, V.A., Tkachuk, A.P., Nifontova, G., Samokhvalov, P.S., Karaulov, A., Nabiev, I. (2022) Label-free detection of the receptor-binding domain of the SARS-CoV-2 spike glycoprotein at physiologically relevant concentrations using surface-enhanced Raman spectroscopy. Biosensors, 12 (5), 300. IF=5.743 | Q2.

36. Melnikau, D., Samokhvalov, P., Sánchez-Iglesias, A., Grzelczak, M., Nabiev, I., Rakovich, Yu.P. (2022) Strong coupling effects in a plexciton system of gold nanostars and J-aggregates. Journal of Luminescence, 242, 118557. IF=4.171 | Q2.

35. Kriukova, I., Samokhvalov, P., Nabiev, I. (2021) Near-infrared photoluminescent hybrid structures based on freestanding porous silicon photonic crystals and PbS quantum dots. Applied Nanoscience, 12, 3315–3320. IF=3.869 | Q2.

34. Krivenkov, V.A., Samokhvalov, P., Vasil’evskii, I., Kargin, N.I., Nabiev, I. (2021) Plasmon–exciton interaction strongly increases the efficiency of a quantum dot–based near-infrared photodetector operating in the two-photon absorption mode under normal conditions. Nanoscale, 13, 19929–19935. IF=8.307 | Q1.

33. Zvaigzne, M., Samokhvalov, P., Gun’ko, Yu., Nabiev, I. (2021) Anisotropic nanomaterials for asymmetric synthesis. Nanoscale, 13, 20354-20373. IF=8.307 | Q1.

32. Sukhanova, A., Ramos-Gomes, F., Chames, P., Sokolov, P., Baty, D., Alves, F., Nabiev, I. (2021) Multiphoton deep-tissue imaging of micrometastases and disseminated cancer cells using conjugates of quantum dots and single-domain antibodies. In: Zamir. E., ed., Multiplexed Imaging: Methods and Protocols (Methods in Molecular Biology, 2350). New York, NY: Humana Press, pp. 105–123.

31. Nabiev, I. (2021) Strong light-matter coupling for optical switching through the fluorescence and FRET control. Journal of Physics: Conference Series, 2058, 012001.

30. Granizo, E.A., Nabiev, I., Krivenkov, V. (2021) A numerical study of plasmon-induced enhancement of dipole emission by arrays of silver nanospheres and nanoprisms. Journal of Physics: Conference Series, 2058, 012005.

29. Kalenichenko, D., Nifontova, G., Sukhanova, A., Nabiev, I. (2021) Design and characterisation of calcium carbonate microspheres for anticancer drug delivery. Journal of Physics: Conference Series, 2058, 012009.

28. Mochalov, K., Samokhvalov, P., Nifontova, G., Tsoi, T., Sukhanova, A., Nabiev, I. (2021) Surface-enhanced Raman scattering of CoV-SARS-2 viral proteins in a strong coupling regime. Journal of Physics: Conference Series, 2058, 012020.

27. Kalenichenko, D., Nifontova, G., Karaulov, A., Sukhanova, A., Nabiev, I. (2021) Designing functionalized polyelectrolyte microcapsules for cancer treatment. Nanomaterials, 11 (11), 3055 IF=5.719 | Q1.

26. Nifontova, G., Krivenkov, V., Zvaigzne, M., Efimov, A., Korostylev, E., Zarubin, S., Karaulov, A., Nabiev, I., Sukhanova, A. (2021) Nanoparticle-doped hybrid polyelectrolyte microcapsules with controlled photoluminescence for bioimaging applications. Polymers, 13 (23), 4076. IF=4.967 | Q1.

25. Zvaigzne, M., Alexandrov, A., Tkach, A., Lypenko, D., Nabiev, I., Samokhvalov, P. (2021) Optimizing the PMMA electron-blocking layer of quantum dot light-emitting diodes. Nanomaterials, 11 (8), 2014. IF= 5.719 | Q1.

24. Dovzhenko, D., Lednev, M., Mochalov, K., Vaskan, I., Rakovich, Yu., Karaulov, A., Nabiev, I. (2021) Polariton-assisted manipulation of energy relaxation pathways: donor–acceptor role reversal in a tuneable microcavity. Chemical Science, 12, 12794–12805. IF=9.969 | Q1.

23. Linkov, P., Samokhvalov, P., Baryshnikova, M., Laronze-Cochard, M., Sapi, J., Karaulov, A., Nabiev, I. (2021) Conjugates of ultrasmall quantum dots and acridine derivatives as prospective nanoprobes for intracellular investigations. Nanomaterials, 11 (9), 2160. IF=5.719 | Q1.

22. Dovzhenko, D., Lednev, M., Mochalov, K., Vaskan, I., Samokhvalov, P., Rakovich, Yu., Nabiev, I. (2021) Strong exciton−photon coupling with colloidal quantum dots in a tuneable microcavity. Applied Physics Letters, 119 (1), 011102. IF=3.971 | Q1.

21. Krivenkov, V., Dovzhenko, D., Kriukova, I., Samokhvalov, P., Saanchez-Iglesias, A., Grzelczak, M., Nabiev, I., Rakovich, Y. (2021) Cavity-enhanced photoluminescence of semiconductor quantum dot thin films under two-photon excitation. In: A. Adibi, S.-Y. Lin, A. Scherer, eds. Photonic and Phononic Properties of Engineered Nanostructures XI, Proceedings of SPIE, 11694, 116940W.

20. Krivenkov, V., Samokhvalov, P., Nabiev, I., Rakovich, Y. (2021) Quantum dot-based plasmon-exciton emitters with improved one-and two-photon emission properties. In: A. Adibi, S.-Y. Lin, A. Scherer, eds. Photonic and Phononic Properties of Engineered Nanostructures XI, Proceedings of SPIE, 11694, 116941Q.

19. Krivenkov, V.A., Samokhvalov, P., Sánchez-Iglesias, A., Grzelczak, M., Nabiev, I., Rakovich, Y. (2021) Strong increase in the effective two-photon absorption cross-section of excitons in quantum dots due to the nonlinear interaction with localized plasmons in gold nanorods. Nanoscale, 13 (8), 4614–4623. IF=8.307 | Q1.

18. Krivenkov, V.A., Samokhvalov, P., Nabiev, I., Rakovich, Y.P. (2021) pH-Sensing platform based on light−matter coupling in colloidal complexes of silver nanoplates and J-aggregates. Journal of Physical Chemistry C, 125 (3), 1972–1979. IF=4.177 | Q1.

17. Linkov, P., Samokhvalov, P., Grokhovsky, S., Laronze-Cochard, M., Sapi, J., Nabiev, I. (2020) Selection of optimal chromatography medium for purification of quantum dots and their bioconjugates. Chemistry of Materials, 32 (21), 9078–9089. IF=10.508 | Q1.

16. Dovzhenko, D.S., Krivenkov, V.A., Kriukova, I.S., Samokhvalov, P.S., Karaulov, A.V., Nabiev, I.R. (2020) Enhanced spontaneous emission from two-photon-pumped quantum dots in a porous silicon microcavity. Optics Letters, 45 (19), 5364–5367. IF=3.56 | Q1.

15. Kriukova, I.S., Krivenkov, V.A., Samokhvalov, P.S., Nabiev, I.R. (2020) Weak coupling between light and matter in photonic crystals based on porous silicon responsible for the enhancement of fluorescence of quantum dots under two-photon excitation. JETP Letters, 112 (9), 537–542. IF=1.4.

14. Krivenkov, V., Samokhvalov, P., Nabiev, I., Rakovich, Yu. (2020) Synergy of excitation enhancement and the Purcell effect for strong photoluminescence enhancement in a thin-film hybrid structure based on quantum dots and plasmon nanoparticles. Journal of Physical Chemistry Letters, 11 (19), 8018–8025. IF=6.888 | Q1.

13. Dovzhenko, D., Martynov, I., Samokhvalov, P., Osipov, E., Lednev, M., Chistyakov, A., Karaulov, A., Nabiev, I. (2020) Enhancement of spontaneous emission of semiconductor quantum dots inside one-dimensional porous silicon photonic crystals. Optics Express, 28 (15), 22705–22717. IF=3.833 | Q1.

12. Nifontova, G., Krivenkov, V., Zvaigzne, M., Samokhvalov, P., Efimov, A.E., Agapova, O.I., Agapov, I.I., Korostylev, E., Zarubin, S., Karaulov, A., Nabiev, I., Sukhanova, A. (2020) Controlling charge transfer from quantum dots to polyelectrolyte layers extends prospective applications of magneto-optical microcapsules. ACS Applied Materials & Interfaces,12 (32), 35882–35894. IF=10.383 | Q1.

11. Krivenkov, V., Dyagileva, D., Samokhvalov, P., Nabiev, I., Rakovich, Yu. (2020) Effect of spectral overlap and separation distance on exciton and biexciton quantum yields and radiative and nonradiative recombination rates in quantum dots near plasmon nanoparticles. Annalen der Physik, 2000236. IF=3.047 | Q2.

10. Dyagileva, D., Krivenkov, V., Samokhvalov, P., Nabiev, I., Rakovich, Y. (2020) Long-range coupling of individual quantum dots with plasmonic nanoparticles in a thin-film hybrid material. In: Andrews, D.L., Bain, A.J., Kauranen, M., Nunzi, J.-M., eds. Nanophotonics VIII. Proceedings of SPIE, 11345, 113451D.

9. Krivenkov, V., Samokhvalov, P., Dyagileva, D., Nabiev, I. (2020) Absolute two-photon absorption cross-sections of single-exciton states in semiconductor nanocrystals. In: Andrews, D.L., Bain, A.J., Kauranen, M., Nunzi, J.-M., eds. Nanophotonics VIII. Proceedings of SPIE, 11345, 113451S.

8. Alexandrov, A., Zvaigzne, M., Lypenko, D., Nabiev, I., Samokhvalov, P. (2020). Al-, Ga-, Mg-, or Li-doped zinc oxide nanoparticles as electron transport layers for quantum dot light-emitting diodes. Scientific Reports, 10, 7496. IF=4.997 | Q1.

7. Nifontova, G., Ramos-Gomes, F., Alves, F., Nabiev, I., Sukhanova, A. (2020) Stimulus-sensitive theranostic delivery systems based on microcapsules encoded with quantum dots and magnetic nanoparticles. In: A. Fontes, B.S. Santos, eds. Quantum Dots: Applications in Biology (Methods in Molecular Biology, 2135). Humana Press, 3rd edition, chapter 11, 199–212.

6. Tsoy, T., Karaulov, A., Nabiev, I., Sukhanova, A. (2020) Multiplexed detection of cancer serum antigens with a quantum dot-based lab-on-bead system. In: A. Fontes, B.S. Santos, eds. Quantum Dots: Applications in Biology (Methods in Molecular Biology, 2135). Humana Press, 3rd edition, chapter 13, 225–236.

5. Ayadi, N., Lafont, F., Charlier, C., Benhelli-Mokrani, H., Sokolov, P., Sukhanova, A., Fleury, F., Nabiev, I. (2020) Comparative advantages and limitations of quantum dots in protein array applications. In: A. Fontes, B.S. Santos, eds. Quantum Dots: Applications in Biology (Methods in Molecular Biology, 2135). Humana Press, 3rd edition, chapter 16, 259–274.

4. Kryukova, I., Dovzhenko, D.S., Rakovich, Yu.P., Nabiev, I.R. (2020) Enhancement of the photoluminescence of semiconductor nanocrystals in transfer-printed microcavities based on freestanding porous silicon photonic crystals. Journal of Physics: Conference Series, 1439, 012018.

3. Kryukova, I., Dovzhenko, D., Rakovich, Yu., Nabiev, I. (2020) Enhancement of the quantum dot photoluminescence using transfer-printed porous silicon microcavities. Journal of Physics: Conference Series, 1461, 012076.

2. Krivenkov, V., Samokhvalov, P.S., Dyagileva, D., Karaulov, A., Nabiev, I.R. (2020) Determination of the single-exciton two-photon absorption cross-sections of semiconductor nanocrystals through the measurement of saturation of their two-photon-excited photoluminescence. ACS Photonics, 7 (3), 831–836. IF=7.077 | Q1.

1. Kage, D., Katrin Hoffmann, K., Nifontova, G., Krivenkov, V., Sukhanova, A., Nabiev, I., Resch-Genger, U. (2020) Tempo-spectral multiplexing in flow cytometry with lifetime detection using QD-encoded polymer beads. Scientific Reports, 10, 653. IF=4.997 | Q1.

О лаборатории

Лаборатория нано-биоинженерии (ЛНБИ) НИЯУ МИФИ создана приказом № 773 от 03 ноября 2011 г. под руководством д. х. н., профессора Игоря Руфаиловича Набиева, выпускника НИЯУ МИФИ 1980 г., профессора Реймского Университета Шампань-Арденны (URCA), Франция, и директора Европейской технологической платформы «Полупроводниковые нанокристаллы», в рамках Программы по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования (программа «Мега- грантов», www.p220.ru). 

Профессор И.Р. Набиев первым в Европе разработал конъюгаты флуоресцентных нанокристаллов с распознающими молекулами и их биомедицинские приложения в качестве флуоресцентных меток для сверхчувствительной детекции и биомедицинской диагностики. Результатом этих исследований стало создание первых полупроводниковых нанозондов, сохраняющих стабильность в биологических буферных растворах, жидкостях и тканях, а также продемонстрирована применимость этих зондов в молекулярной диагностике методами  проточной цитометрии и иммуногистохимии.

ЛНБИ включает в себя пять научных групп, в которых работает в общей сложности 20 ученых, инженеров и менеджеров. Нынешний потенциал ЛНБИ обусловлен сочетанием накопленного опыта физических исследований, оборудования, методов и технологий НИЯУ МИФИ (участника программы «Приоритет 2030») с мировым уровнем профессиональной компетенции ЛНБИ и ее ведущего ученого. 

Коллектив ЛНБИ успешно реализовал более 25-ти национальных и международных проектов, связанных с синтезом и характеризацией наноматериалов и их применением в области медицины и диагностики, а также оптоэлектроники и инженерии, демонстрирует высокую публикационную активность, регулярно превышающую публикационную активность лучших международных лабораторий по данному направлению исследований, основал новую компанию; ЛНБИ вошел и остается членом Европейской технологической платформы «Полупроводниковые нанокристаллы». 

Задачи, которые решает коллектив лаборатории

Ученые лаборатории изучают перенос энергии и сверхбыстрые процессы на наноуровне. Полученные результаты используются в молекулярной диагностике заболеваний и для создания гибридных нано-биосистем, использующих эффекты переноса энергии от нано- к биоматериалам. Сегодня, на тринадцатом году своего существования, ЛНБИ признана одной из самых успешных «Мега-грантовых» лабораторий, продолжающих эффективное функционирование.

Основные научные направления

Главные конкурентные преимущества и профессиональные компетенции ЛНБИ лежат в области разработки нанобиогибридных систем для использования в медицинской диагностике и оптоэлектронике. В последние годы и в течение грядущих нескольких лет основные научные направления лаборатории определяются исследованиями в рамках следующих научных проектов:

1. Конвергентные технологии для ранней диагностики, предотвращения и лечения иммунозависимых заболеваний (ТехноДИм). Планируется к финансированию в 2024 - 2029 гг.

2. Универсальная нанофотонная система для высокоточного серологического и иммуногистохимического фенотипирования рака (НаноФотон). Планируется к финансированию в 2024 – 2028.

3. Поляритонный фотокатализ и прототип фотореактора с ГКР контролем для высокоэффективного производства биологически-активных соединений (PAPhoSERS). Грант РНФ по программе «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития РФ Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными», 2021–2024 гг. Рук. проекта профессор, д.х.н. Набиев И.Р.

4. Оценка профилей аллергической сенсибилизации в Российской Федерации на основе микрочипов аллергенов как основа для персонализированного лечения и профилактики аллергии (АллергочипРФ). Грант РНФ по программе «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития РФ Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными», 2023–2026 гг. Рук. проекта академик Караулов А.В. Соисполнитель: ЛНБИ НИЯУ МИФИ.

5. Гибридные полиэлектролитные капсулы для адресной иммунотерапии злокачественных опухолей человека (САРСАN). Грант РНФ по программе «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными», 2022 – 2025 гг. Рук. проекта к.х.н. Крюкова И.С.

Значимые результаты работ

За время существования ЛНБИ сотрудниками опубликованы более 350 научных работ в высокорейтинговых зарубежных и отечественных журналах, включая Nanomedicine: NBM, Advanced Materials, ACS Nano, ACS Photonics, Российский биотерапевтический журнал, Письма в ЖЭТФ, Доклады Российской академии наук, Scientific Reports, Biosensors, Nanoscale, Biomaterials Science, Polymers, Russian Chemical Reviews, и многие другие.

В ходе выполнения предыдущих грантов и научных проектов были получены следующие основные результаты:

• Разработана методика синтеза флуоресцентных КТ, в том числе со структурой ядро/оболочка, а также КТ со сниженной токсичностью.

• Разработана методика солюбилизации КТ, что необходимо для их применения в составе диагностических тест-систем.

• Разработана методика функционализации поверхности КТ различными биологическими распознающими молекулами, включая ориентированное позиционирование биологических молекул на поверхности КТ.

• Разработаны технологии получения одАТ, а также фрагментов полноразмерных АТ и методики их модификации для иммобилизации на поверхности КТ.

• Разработаны миниатюрные нанозонды для биологической визуализации.

• Создан прототип прибора обнаружения патогенных биологических агентов в биоматериале человека.

• Получен патент на «Способ биологической визуализации» (патент на изобретение RU 2639125 C1, 19.12.2017. Заявка № 2016149211 от 14.12.2016).

• Получен патент на «Набор для дифференциальной диагностики заболеваний» (патент на изобретение RU 2701742 C1, 01.10.2019. Заявка № 2018127122 от 23.07.2018).

Опыт исследований ведущего ученого И.Р. Набиева в научной области составляет более 20 лет, в течении которых были опубликованы работы по синтезу биосовместимых КТ для мечения мембранных белков и клеток, а также методики их включения в полимерные оболочки микросфер.

Предложены подходы по созданию аналогов системы xMAP (Luminex, США), на основе микросфер, оптически кодированных флуоресцентными квантовыми точками для диагностики рака.

Также показана возможность многопараметрической био-детекции на основе КТ в твердотельных микрочипах .

Опубликовано множество работ по изучению и оптимизации оптических свойств флуоресцентных КТ, а также по изучению их токсичности и взаимодействию с биологическими объектами.

Разработка процедуры ориентированного конъюгирования биологических распознающих молекул с поверхностью КТ позволила создавать ультра-компактные флуоресцентные зонды, которые, благодаря своим физико-химическим свойствам, легко проникают внутрь тканей и клеток, открывая новые перспективы биологической визуализации.

Научный коллектив проекта имеет опыт тестирования своих разработок на реальных клинических образцах для диагностики рака простаты [28] и рака легкого [29].

В сферу научных интересов группы также входит создание тераностических платформ для диагностики, направленной доставки и контролируемого высвобождения химиопрепаратов.

Задачи и получение результатов обосновывается:

• мультидисциплинарной экспериментальной базой, имеющейся в распоряжении коллектива исследователей проекта: полностью оборудованными химической лабораторией для синтеза широкого спектра высококачественных материалов, в том числе наноматериалов, биологической лабораторией, а также оптической лабораторией, укомплектованной оптическим оборудованием для их характеризации, доступом к оборудованию фотофизической лаборатории, в том числе нано-, пико- и фемтосекундным лазерам, излучающим в широком диапазоне длин волн. Кроме того, у коллектива имеется доступ к оборудованию, находящемуся в распоряжении Центров коллективного пользования НИЯУ МИФИ: Наноцентра и Лазерного центра;

• выдающимся опытом работы руководителей и ключевых исполнителей данного проекта в исследованиях, посвященных наноматериалам и их адаптации для использования в биомедицине;

• большим опытом коллектива в создании и исследовании свойств гибридных систем на основе наноматериалов: группы, входящие в состав лаборатории нано-биоинженерии НИЯУ МИФИ, имеют большой опыт как в синтезе широкого спектра наноматериалов, так и в создании и исследовании свойств гибридных структур на их основе;

• подтвержденный публикациями опыт разработки командой МИФИ уникальных диагностикумов и средств доставки на основе полноразмерных и однодоменных антител, позволяющих существенно повысить специфичность взаимодействия диагностических наносенсоров с молекулами-онкомаркерами.

Контакты

О лаборатории

Международная лаборатория гибридных фотонных наноматериалов (ЛГФН) НИЯУ МИФИ создана приказом № 336/4 от 01 декабря 2016 г. под руководством профессора Юрия Петровича Раковича, профессора Университета Страны Басков, в рамках Программы по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования (программа «Мега- грантов», www.p220.ru). Основной областью научных исследований ведущего ученого Ю.П. Раковича является нанофотоника, спектроскопия и практическое применение наномасштабных функциональных единиц, в том числе полупроводниковых квантовых точек, перовскитных нанокристаллов, металлических наночастиц и наногибридных органических/неорганических систем. Кроме этого, проф. Ю.П. Ракович, опираясь на свои знания и опыт в нано-биофотонике, работает в областях биосенсинга, преобразования и переноса энергии в нано-биосистемах, служащих интерфейсом между искусственными наноструктурами и фото- и электрохромными белками.

C 02 апреля 2022 года Ракович Юрий Петрович не является руководителем лаборатории, при этом продолжает активное сотрудничество с персоналом лаборатории в дистанционном формате (совместные публикации, патенты).

Новым руководителем и заведующим ЛГФН в настоящее время является к.хим.н. Самохвалов Павел Сергеевич (H=21), руководитель направления нанохимии в рамках Международной коллаборации ICENAP: Integrated Computational Engineering, Characterization and Validation of Semiconductor Colloidal Nanocrystals with Advanced Properties (коллаборация НИЯУ МИФИ, Реймского университета Шампань-Арденн, Технического университета Дрездена и Берлинского метрологического центра).

Задачи, которые решает коллектив МЛГФН

В МЛГФН проводится синтез и модификация широкого спектра наноматериалов, а также всестороннее исследование их пространственных, спектральных и временных характеристик излучения. Рекордный квантовый выход полупроводниковых нанокристаллов, изготовленных сотрудниками лаборатории методами коллоидного синтеза достигает 100%. 

Основные научные направления

Основным научным направлением МЛГФН являются нанотехнологии. Ученые лаборатории работают на стыке плазмоники и биофизики: нанотехнологии открывают широкие возможности для разработки высокоинтегрированных систем из биомолекул и специально разработанных наноструктур с комплексом новых функций, которые найдут применение в фотонике, электронике и медицине. Плазмонные наноструктуры способны значительно усиливать взаимодействие света с веществом на наноуровне за счет высокой степени локализации электромагнитных полей. Это их свойство открывает широчайшие возможности для практического применения таких структур в самых разных областях, от наномасштабной оптической микроскопии и спектроскопии до ультра-сенсинга, а также для всех приложений, где требуется повышение оптической нелинейности.

Значимые результаты работ

Научный коллектив лаборатории имеет долговременный успешный опыт в областях синтеза, экспериментального и теоретического исследования структурно-оптических свойств квантовых полупроводниковых, диэлектрических и металлических наноструктур различной размерности и гибридных структур на их основе: полупроводниковых квантовых точек (0D), стержней (1D) и нанопластин (2D), плазмонных металлических наночастиц и углеродных наноструктур. В этой области получены приоритетные результаты мирового уровня, опубликованные в нескольких сотнях статей в научных журналов, индексируемых WoS и Scopus, включая Nano Letters, ASC Nano, Chemistry of Materials, Small, Nano Research и т.п.

Научный задел ЛГФН основан на успешном выполнении Мега-гранта Правительства РФ "Линейные и нелинейные оптические эффекты на наноуровне для создания биосенсоров новых поколений" (ведущий ученый – профессор Ю.П. Ракович), а также более чем десяти проектов последних пяти лет.

Более 150 научных трудов опубликовано сотрудниками лаборатории (включая 13 объектов интеллектуальной собственности), что привело к ее заслуженному признанию как одной из наиболее успешных лабораторий, созданных в рамках Программы по привлечению ведущих ученых в российские образовательные учреждения высшего профессионального образования.

Коллектив лаборатории обладает большим опытом в изготовлении и характеризации резонаторов на основе фотонных кристаллов, изготовленных методом электрохимического травления кремния, с рекордными значениями добротности в видимой области, достигнутыми благодаря использованию оригинальной установки и методики изготовления. Кроме того, коллективом ранее была разработана оригинальная методика обработки поверхности пористого кремния для уменьшения безызлучательного переноса энергии с полупроводниковых нанокристаллов, находящихся в контакте с поверхностью.

Применение данной методики позволило зарегистрировать изменение времени жизни возбужденного состояния в квантовых точках, внедренных в микрорезонатор на основе пористого кремния, экситоны которых находились в состоянии слабой связи с оптической модой микрорезонатора. На базе ЛГФН выполнено более 30 проектов, посвященных гибридным материалам, в том числе материалам со свойствами связи света с веществом. Среди них следует отметить проекты Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на 2014-2020, непосредственно связанные с тематикой проекта:

• «Разработка экспериментального образца регенерируемого нанопроволочного биосенсора для регистрации маркеров социальнозначимых заболеваний в сыворотке крови» 2014 – 2016 гг.
• «Наноструктуры со свойствами управляемой эмиссии на основе флуоресцентных полупроводниковых квантовых точек, внедренных в одномерные фотонные кристаллы», 2015-2017 гг.

В этих проектах были реализованы гибридные структуры, демонстрирующие эффекты слабой связи экситона в полупроводниковых наночастицах с локализованными собственными модами резонаторов, образованных одномерными и двумерными фотонными кристаллами.

Последнее время научные исследования, проводимые членами коллектива, посвящены исследованию эффектов сильной связи «свет-вещество». Для создания гибридных структур, демонстрирующих сильную связь, была сконструирована уникальная перестраиваемая резонаторная ячейка, конструкция которой была запатентована [https://findpatent.ru/patent/266/2666853.html], а впоследствии описана, а также использована в ряде приложений [2]. Основу ячейки составляет перестраиваемый неустойчивый микрорезонатор Фабри-Перо, сформированный плоским и выпуклым металлическими зеркалами. Уникальные свойства пространственного и спектрального распределения мод данной установки позволяют более чем на два порядка уменьшить модовый объем, тем самым более чем на порядок увеличить силу связи в системе.

Более того, недавно в МЛГФН МИФИ были успешно проведены исследования сильной связи свет-вещество между плазмонными самоорганизованными нано-массивами и полупроводниковыми наноструктурами. В результате этих исследований были продемонстрированы эффекты ускорения излучательной рекомбинации, усиленного поглощения и плазмонно-индуцированного переноса энергии. Было обнаружено как форма и тип плазмонных наноструктур влияют на образование связи свет-вещество, а также продемонстрирована синергия между плазмонными наночастицами разной формы при улучшении оптических свойств полупроводниковых наноструктур.

Кроме этого, авторами проекта было изучено взаимодействие оптического излучения с большим количеством композитных металлодиэлектрических метаматериалов, разработана теория перколяции металлодиэлектрических систем (книга «Электродинамика метаматериалов», авторы А.К. Сарычев, В.М. Шалаев). Среди основных результатов:

• Рассчитано электромагнитное поле в димере из двух близко расположенных цилиндрических гранул, а также в цепочке цилиндрических гранул; проведены расчеты оптических характеристик полностью диэлектрических и металлодиэлектрических регулярных структур в виде полос, показано, что в чистом диэлектрике возможно достичь почти полной локализации оптического поля на поверхности за счет возбуждения диэлектрического резонанса.
• Методом литографии изготовлен многослойный тонкоплёночный метаматериал, состоящий из полос полиметилметакрилата (ПММА) на золотой подложке [8].
• Изучена метаповерхность, представляющая дифракционную решетку с периодически расположенными кремниевыми резонаторами в виде острых конусов [9]; проведены эксперименты по измерению сигнала КР в различных областях мета поверхности [10].
• теоретически изучена плазмонная генерация гигантского электромагнитного поля в сверхузкой нанощели, образованной металлическим цилиндром и плоской зеркальной поверхностью; продемонстрировано, что усиление электрического поля возрастает и осциллирует по мере уменьшения расстояния между цилиндрической и плоской поверхностями и выходит на насыщение, при котором интенсивность электрического поля достигает рекордных значений – до десяти порядков величины (Квантовая электроника 2020, в печати).

Научный коллектив проекта имеет выдающийся опыт успешной реализации совместных научных междисциплинарных проектов. Так, в частности, в 2017-2019 гг. члены научного коллектива выполнили проект "Гибридные 2D-структуры «графен–квантовые точки» с контролируемыми оптическими и фотоэлектрическими свойствами и их применение в фотовольтаике", в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы».

Контакты