Rewolucyjne nanopodłoża do testów medycznych

Pokryte złotem podłoża z azotku galu o specyficznie ukształtowanej powierzchni, opracowane przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Instytutu Wysokich Ciśnień PAN, charakteryzują się parametrami unikatowymi w skali świata. Dzięki nowym podłożom, wyjątkowo czuła technika analityczna SERS, zdolna wykrywać nawet pojedyncze cząsteczki chemiczne, po kilkudziesięciu latach oczekiwania w specjalistycznych laboratoriach ma wreszcie szansę upowszechnić się i zrewolucjonizować diagnostykę medyczną.

Laboratorium we wnętrzu mikroczipa, zdolne w pojedynczym badaniu wykryć większość rodzajów przeciwciał we krwi pacjenta, oznaczałoby rewolucję w diagnostyce medycznej. Lekarze zyskaliby szybki dostęp do naturalnej kartoteki chorób badanej osoby, zarówno przebytych, już trwających, jak i tych, które dopiero rozwiną się w przyszłości. Ta futurystyczna wizja staje się bliższa rzeczywistości dzięki nowatorskim, złoconym podłożom z azotku galu, opracowanym przez naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) i Instytutu Wysokich Ciśnień PAN (IWC PAN). Unikatowe w skali świata parametry podłoży po raz pierwszy otwierają drogę do długo oczekiwanego upowszechnienia wzmacnianej powierzchniowo spektroskopii ramanowskiej SERS. Za pomocą tej niezwykle czułej techniki badawczej można wykrywać bakterie, wirusy, a nawet pojedyncze cząsteczki. – Brak podłoży o odpowiedniej nanostrukturze od trzech dekad uniemożliwiał
stosowanie SERS w medycynie. Nam udało się tę przeszkodę wreszcie pokonać – mówi prof. dr hab. Robert Hołyst z Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

Podłoża do SERS będą miały w przyszłości podstawowe znaczenie dla metod detekcyjnych w biologii i medycynie. Potencjał wzmacnianej powierzchniowo spektroskopii ramanowskiej jest tak duży, że już obecnie prace nad podłożami sersowskimi prowadzi m.in. Agencja Zaawansowanych Obronnych Projektów Badawczych Departamentu Obrony USA, słynna DARPA.
Chropowacone w skali nanometrowej podłoża odgrywają w spektroskopii ramanowskiej kluczową rolę. Efekt Ramana polega na nieelastycznym rozpraszaniu fotonów na ąsteczkach. Zazwyczaj cząsteczka, na której zachodzi rozpraszanie, pochłonia foton i natychmiast emituje inny, o tej samej energii – fizycy mówią wówczas o rozpraszaniu elastycznym lub Rayleigha. Niekiedy zdarza się jednak, że część energii fotonu zostanie przekazana np. w wibracje cząsteczki lub w jej ruch obrotowy. W takiej sytuacji foton wyemitowany przez cząsteczkę będzie miał nieco mniejszą energię. Może zdarzyć się też sytuacja przeciwna: cząsteczka odda nieco energii emitowanemu fotonowi. W obu przypadkach rozpraszanie określa się jako ramanowskie, od nazwiska jego odkrywcy, indyjskiego fizyka i noblisty Venkata Ramana. Jest ono niezwykle rzadkim zjawiskiem: zaledwie jeden foton na dziesiątki milionów jest rozpraszany w ten sposób, co oznacza, że bardzo trudno go zarejestrować.

W 1974 roku brytyjski chemik Martin Fleischmann ze współpracownikami zauważył wyjątkowo silny sygnał rozpraszania ramanowskiego, pochodzący od cząsteczek umieszczonych na chropowatym podłożu ze srebra. Kolejne badania ujawniły, że zachodzi tu rzeczywiście efekt wzmocnienia, występujący także na podłożach ze złota, platyny i miedzi. W każdym przypadku warunkiem koniecznym wystąpienia wzmocnienia okazało się właściwe ukształtowanie powierzchni. – Jeśli jest ona odpowiednio schropowacona, na ostrych krawędziach nierówności znacznie rośnie natężenie pola elektromagnetycznego. Z podobnego powodu wszelkie konstrukcje o kształcie iglic przyciągają pioruny – wyjaśnia prof. Hołyst. Cząsteczki osadzone na tak przygotowanej powierzchni przebywają w bardzo silnym polu elektromagnetycznym i znacznie częściej rozpraszają fotony w sposób nieelastyczny, ramanowski. Jako metoda analizy, wzmacniana powierzchniowo spektroskopia ramanowska (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) jest wyjątkowo atrakcyjna, ponieważ pierwotny sygnał zostaje potężnie wzmocniony, zazwyczaj od miliona do miliarda razy. Tak wysoka czułość metody pozwala wykrywać nawet pojedyncze cząsteczki chemiczne.
Dobre podłoże sersowskie powinno mieć w miarę regularną, periodyczną strukturę powierzchniową, gwarantującą powtarzalność rejestrowanych przez aparaturę sygnałów. Do jego skonstruowania wykorzystano podłoża z azotku galu (GaN), opracowane w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN. – Proces wytwarzania zaczyna się od wyprodukowania podłoża GaN zawierającego równomiernie rozłożone defekty strukturalne, czyli dyslokacje – mówi prof. dr hab. Jan Weyher z IWC PAN. Powierzchnia GaN jest następnie poddawana fototrawieniu, które zachodzi wszędzie z wyjątkiem defektów. W rezultacie powstają pionowe kolumny o średnicach kilkudziesięciu nanometrów. Wskutek sił napięcia, swobodne końce sąsiednich nanokolumn łączą się ze sobą, tworząc liczne struktury przypominające stogi na polach. Po tym etapie podłoża są przekazywane do Instytutu Chemii Fizycznej PAN, gdzie napyla się na nie cienką warstwę złota. Rezultatem procesu jest bardzo rozwinięta powierzchnia, pokryta równomiernym gąszczem nanometrowych złotych stożków.

Skonstruowane przez polskich naukowców podłoża sersowskie mają wyjątkowe cechy. – Podłoża dotychczas dostępne na rynku wymagały wyjątkowo ostrożnego traktowania. Trzeba je było przechowywać w atmosferze azotu, nie wolno było dotykać, a mimo to po rozpakowaniu traciły zdolność wzmacniania w ciągu zaledwie godzin. Nasze podłoża można włożyć na kilka miesięcy do zwykłej szuflady i nadal będą nadawały się do użycia – podkreśla dr Agnieszka Michota-Kamińska z IChF PAN. Ze względów ekonomicznych istotny jest fakt, że polskie podłoża jako jedyne na świecie można stosować wielokrotnie. Ich struktura powierzchniowa jest tak trwała, że badacze z IChF PAN mogli opracować skuteczne procedury czyszczenia, gwarantujące utrzymanie wysokiego poziomu wzmocnienia sygnałów SERS.

Podłoża do badań z użyciem spektroskopii ramanowskiej SERS zbudowano przy okazji realizowania grantu Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie. Jego dalekosiężnym celem jest skonstruowanie sensora służącego do detekcji przeciwciał we krwi. Głównym elementem urządzenia będzie półprzewodnik pokryty siecią tysięcy mikrometrowych zagłębień. W każdym dołku zostanie umieszczona inna, starannie dobrana sekwencja aminokwasów, wabiąca określone przeciwciała. Odpowiedni układ mikroprzepływowy dostarczy krew, której przeciwciała przyłączą się tylko do pasujących polipeptydów w dołkach. Odczyt danych będzie następował za pomocą techniki SERS. Grant, wartości ponad 73 mln złotych, jest finansowany w 85% z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013. Głównymi uczestnikami grantu są Instytut Fizyki PAN (koordynator), Instytut Chemii Fizycznej PAN i Instytut Wysokich Ciśnień PAN.

Źródło: IChF PAN