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.

Рекомендуем по этой теме:
7527
Что такое спектроскопия?

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.