Naukowcy z Uniwersytetu w Osace opracowali nową metodę wzmacniania sygnałów fluorescencji i spektroskopii Ramana przy użyciu gęstego losowego układu nanowysp srebra i ochronnej warstwy krzemionki.
To przełomowe rozwiązanie znacznie zwiększa możliwości wykrywania bez uszkadzania komórek, oferując potencjalne zastosowania w monitorowaniu środowiska i diagnostyce medycznej.
Zaawansowane techniki spektroskopowe
Dzisiejsi biolodzy mogą badać skomplikowane struktury wewnątrz żywych komórek za pomocą narzędzi znacznie wykraczających poza tradycyjny mikroskop świetlny. Techniki takie jak fluorescencja i spektroskopia Ramana stały się niezbędne do nieinwazyjnego monitorowania procesów biologicznych.
Metody te wykorzystują źródło światła – zazwyczaj laser – do stymulacji przejść elektronowych we fluorescencji lub wibracjach molekularnych w spektroskopii Ramana.
Wyzwania związane z obecnymi metodami spektroskopowymi
Pomimo swojej użyteczności, techniki te wiążą się z wyzwaniami. Znaczniki fluorescencyjne mogą zakłócać normalne funkcje komórki, a sygnały Ramana są często bardzo słabe. Zwiększenie mocy lasera lub czasu ekspozycji w celu wzmocnienia sygnału może spowodować uszkodzenie wrażliwych cząsteczek biologicznych.
Aby przezwyciężyć ten problem, badacze opracowali wersje tych metod o ulepszonej powierzchni, wykorzystujące podłoża metalowe lub nanostruktury do wzmacniania sygnału. Jednak te ulepszenia mogą również stwarzać ryzyko dla integralności komórki.
Przełom w ulepszaniu sygnału
Teraz, w badaniu opublikowanym 28 października w czasopiśmie Światło: nauka i zastosowanianaukowcy z Uniwersytetu w Osace opisali nową metodę wzmacniania sygnałów fluorescencji i Ramana na dalekie odległości przy użyciu gęstego losowego układu nanowysp Ag.
Cząsteczki analitu są oddzielone od struktur metalowych przy użyciu warstwy krzemionki o grubości 100 nm o strukturze kolumnowej. Warstwa ta jest wystarczająco gruba, aby chronić badane cząsteczki, ale jednocześnie wystarczająco cienka, aby zbiorcze oscylacje elektromagnetyczne w warstwie metalu, zwane plazmonami, wzmocniły sygnał spektroskopowy.
„Wykazaliśmy, że zakres wpływu plazmonów w metalach może przekraczać 100 nanometrów, znacznie przekraczając przewidywania konwencjonalnej teorii” – mówi główny autor Takeo Minamikawa.
Implikacje dla technologii biosensorycznej
Naukowcy wykazali, że zastosowanie tych biokompatybilnych substratów czujników może zwiększyć sygnał zdumiewające dziesięć milionów razy. Ponadto, ponieważ nanostruktury metali nigdy nie wchodzą w bezpośredni kontakt z badanymi cząsteczkami, idealnie nadają się do systemów biologicznych, które mogłyby zostać uszkodzone konwencjonalnymi metodami.
„Stabilność chemiczna i wytrzymałość mechaniczna naszych substratów sprawiają, że nadają się one do szerokiego zakresu zastosowań, w tym do wykrywania zanieczyszczeń środowiska lub diagnostyki medycznej” – mówi starszy autor Mitsuo Kawasaki.
Ponadto podłoża czujników można wytwarzać szybko i na dużą skalę przy użyciu techniki wytwarzania cienkowarstwowego zwanej rozpylaniem. W rezultacie nowe urządzenia bioczujnikowe mogą być tańsze, jeśli zostaną wdrożone w zakładach przemysłowych i placówkach opieki zdrowotnej.
Odniesienie: „Wzmocnienie dalekiego zasięgu do fluorescencji i spektroskopii Ramana przy użyciu nanowysp Ag chronionych warstwą krzemionki o strukturze kolumnowej” autorstwa Takeo Minamikawa, Reiko Sakaguchi, Yoshinori Harada, Hiroki Tanioka, Sota Inoue, Hideharu Hase, Yasuo Mori, Tetsuro Takamatsu, Yu Yamasaki , Yukihiro Morimoto, Masahiro Kawasaki i Mitsuo Kawasaki, 28 października 2024 r., Światło: nauka i zastosowania.
DOI: 10.1038/s41377-024-01655-3
