В Институте науки Токио (Япония) разработан новый спектроскопический метод, который позволяет высокочувствительный анализ молекул на границах раздела материалов. Метод использует комбинацию традиционного ATR-IR, точного контроля зазора и передовой обработки данных.
Молекулярные интерфейсы
Молекулярные интерфейсы, такие как твёрдые поверхности, тонкие плёнки и границы раздела жидкостей, играют центральную роль во множестве процессов в материаловедении, химии и биологии. Они влияют на всё: от электрохимии до молекулярных взаимодействий в белках и клеточных мембранах.
Однако, несмотря на их важность, изучение этих интерфейсов остаётся сложной задачей. Хотя некоторые методы существуют, традиционные спектроскопические методы обычно неэффективны, поскольку сильные сигналы от объёмного материала часто подавляют слабые сигналы от интерфейса.
Решение проблемы
Группа исследователей из Института науки Токио (Science Tokyo), Япония, под руководством доцента Томохиро Хаяси из Департамента материаловедения и инженерии разработала новый доступный метод под названием «Инфракрасная абсорбционная спектроскопия с контролем зазора» для анализа молекулярных интерфейсов.
Подход основан на широко используемом спектроскопическом методе, называемом инфракрасной спектроскопией с ослабленным полным отражением (ATR-IR). В ATR-IR образец приводится в контакт с инфракрасно-прозрачным кристаллом для генерации слабой «эванесцентной волны», которая представляет собой электромагнитную волну, выборочно зондирующую молекулы на поверхности или вблизи неё.
Однако в традиционном ATR-IR выделение информации, специфичной для поверхности, часто затруднено из-за фоновых сигналов от объёмного материала. Чтобы преодолеть это, команда ввела механизм контроля расстояния для точного управления расстоянием в нанометровом масштабе между инфракрасным кристаллом и образцом.
«Нанометровый зазор позволяет нам изменять вклад интерфейсных молекул в спектр», — объясняет Хаяси.
Исследователи применили многомерный метод разрешения кривых (MCR) к полученной серии спектральных данных. MCR — это сложный подход к анализу данных, который математически разделяет и извлекает спектры чистых компонентов и их изменения концентрации из смешанных наборов данных перекрывающихся сигналов. Таким образом, разработанный метод эффективно отфильтровывает фоновый «шум», исходящий от объёмного материала, и выделяет сигналы молекулярного интерфейса.
«Сила этого подхода заключается в его простоте», — говорит Хаяси. «Опираясь на ATR-IR, который уже широко доступен, мы устраняем необходимость в дорогостоящих инструментах или специализированных методах для изучения интерфейсных молекул».
Кроме того, чтобы продемонстрировать возможности своего метода, исследователи применили разработанный подход к широкому спектру систем. Они включали анализ молекул воды на поверхностях самоорганизующихся монослоёв, кварцевых поверхностях в различных условиях pH и даже полистирола, материала, широко используемого в чашках для культивирования клеток.
Результаты показали отличное соответствие с двумя узкоспециализированными и дорогостоящими методами: генерацией суммарной частоты (SFG) и инфракрасной абсорбционной спектроскопией с усилением поверхности (SEIRAS). Это подтверждает, что разработанный метод с контролем зазора был не только надёжным, но и практичным для широкого спектра применений.
Значение исследования
Результаты исследования имеют большое значение для различных областей. Поскольку явления на границах раздела играют центральную роль во многих технологиях, от покрытий материалов до биоматериалов и наноустройств, доступность этого метода с контролем зазора может способствовать прорывам в этих технологиях. Кроме того, поскольку он не требует редкого оборудования или дорогостоящих усовершенствований, он предлагает доступный и привлекательный инструмент для многих лабораторий.
«Мы считаем, что наша методика ускорит как фундаментальные исследования, так и промышленное применение в области науки о поверхности, нанотехнологий и материаловедения», — заключает Хаяси.
В будущем исследователи планируют усовершенствовать этот метод для мониторинга динамических процессов на границах раздела в реальном времени. Благодаря уникальному сочетанию чувствительности, простоты и масштабируемости этот метод предлагает перспективный инструмент для исследователей, открывая новые возможности в скрытом мире молекулярных интерфейсов.