Литовские исследователи из Центра физических наук и технологий (FTMC)
Хаб. д-р Гедиминас Ниаура и д-р Мартинас Талайкис вместе с международными коллегами впервые продемонстрировали, что медь является подходящим металлом для ультрафиолетовой спектроскопии поверхностно-усиленного рамановского рассеяния (УФ SERS) — высокочувствительного метода, используемого для изучения молекулярных колебаний.
Их выводы были опубликованы в журнале Advanced Optical Materials и размещены на его задней обложке. Достижение имеет большое значение, поскольку открывает возможности для гораздо более точного обнаружения низкомолекулярных биохимических соединений и представляет собой первый шаг к созданию диагностических систем раннего выявления рака кожи нового поколения.
Цель и методы исследования
«Область, которую мы выбрали, всё ещё мало изучена. Очень немногие исследователи в мире работают над этим», — говорят учёные из отдела органической химии FTMC.
Для начала краткое напоминание: рамановская спектроскопия — это широко используемый научный метод, в котором лазерный свет, направленный на материал, выявляет его молекулярные колебания, предоставляя исследователям обширную информацию о его свойствах.
Физико-химики FTMC поставили перед собой амбициозную цель: адаптировать один из наиболее продвинутых методов вибрационной спектроскопии — поверхностно-усиленное рамановское рассеяние — для практического применения в медицине, в частности для обнаружения рака кожи на ранних стадиях. Хотя SERS широко используется в фундаментальных и прикладных биомедицинских исследованиях, он не получил клинического применения из-за недостаточной воспроизводимости и отсутствия методологической стандартизации. Ещё одним серьёзным ограничением является его относительно низкая селективность при идентификации низкомолекулярных биомаркеров рака.
Вопрос заключался в том, как можно улучшить селективность и воспроизводимость SERS? Ответ заключается в том, что многие биологически важные молекулы (включая маркеры рака) поглощают ультрафиолетовое (УФ) излучение гораздо сильнее, чем другие компоненты тканей. При использовании УФ-излучения рамановский сигнал этих молекул становится значительно сильнее, что улучшает селективность SERS.
«Наша цель — использовать УФ SERS в качестве диагностического метода для быстрого и надёжного выявления спектральных маркеров, связанных с раком. В идеале это возможно даже во время хирургических операций. Новое компактное устройство сделает это возможным», — объяснил Гедиминас Ниаура в январе, представляя проект группы.
Для достижения этой цели литовские исследователи и их международные партнёры разрабатывали и тестировали наночастицы из различных металлов. Эти частицы необходимы для SERS: они действуют как высокочувствительные усилители сигнала, усиливая рамановский отклик специфических биологических молекул в миллионы раз.
Неожиданные результаты
Идея проста: наночастицы смешивают с образцами кожных мазков, собранными неинвазивным способом, и освещают УФ-светом. Если присутствуют маркеры рака на ранней стадии, их спектральные отпечатки становятся чётко видимыми, что позволяет поставить диагноз гораздо раньше, чем это возможно с помощью традиционных методов.
И вот, запустив проект в прошлом году, исследователи из FTMC получили первые многообещающие и неожиданные результаты: наночастицы меди оказались отличными усилителями SERS при УФ-лазерной подсветке. Этот результат был неожиданным, поскольку давно известно, что УФ-свет не вызывает усиления электромагнитного поля на медных поверхностях, которое обычно требуется для эффекта SERS. Вместо этого здесь доминирует другой, менее изученный механизм — химическое усиление.
Прорыв произошёл неожиданно, когда доктор Владимир Сиваков из Института фотонных технологий Лейбница, позже ставший соавтором статьи, приехал в FTMC с наночастицами, произведёнными в его лаборатории. «Они включали висмут, медь и другие металлы. Мы проводили тесты в различных условиях облучения для получения надёжного сигнала SERS. Висмут вообще не работал, но медь замечательно реагировала на УФ-свет», — вспоминает доктор Мартинас Талайкис.
«С медью мы смогли надёжно обнаружить низкомолекулярные ароматические соединения, такие как нуклеобаза аденин. Частицы меди оказались достаточно стабильными — мы сохраняли их неизменными в течение нескольких месяцев. Как уже упоминалось, механизм химического усиления на медной поверхности оказался решающим в этом исследовании. Когда молекула адсорбируется — эффективно «прилипает» — к поверхности металла, её электронная структура меняется, и это изменение приводит к усилению взаимодействия с лазерным светом за счёт резонансных эффектов, значительно усиливая сигнал», — объясняет Ниаура.
«Вы можете направить свет на молекулу даже без металлической поверхности: если длина волны лазера соответствует её поглощению, сигнал может увеличиться в десятки тысяч раз — это хорошо известно. Но как только молекула связывается с металлом, возникают новые эффекты, и результаты могут быть ещё более впечатляющими», — добавляет профессор.
Исследователи из FTMC прикрепили аденин — ключевую биологическую молекулу, широко используемую в лабораториях по всему миру, — к медной поверхности, что позволило легко сравнить их спектральные данные с международными исследованиями.
Практическое применение
Как это выглядит на практике? На задней обложке Advanced Optical Materials мы видим внизу кремниевую платформу, покрытую наночастицами меди. Поверхность кажется гладкой, но под микроскопом на ней можно увидеть бесчисленное множество крошечных «наномасштабных бугорков». Сверху на медь направляется УФ-лазер. В центре показана структурная формула аденина и соответствующие данные SERS.
Интересно, что у всех молекул есть свой уникальный «отпечаток пальца», который исследователи могут прочитать на экране компьютера для идентификации вещества. Каждый пик на представленном спектре SERS соответствует различным молекулярным колебаниям, что демонстрирует, насколько чувствителен этот метод.
Конечная цель литовской команды — разработать биосенсор, способный быстро и надёжно идентифицировать рак кожи. FTMC сотрудничает в этой области с профессором Мальмёского университета доктором Таугирдом Рузгасом.
«После публикации нашей статьи мы ищем другие подходящие металлы для экспериментов, но продолжаем работу и с медью», — говорит профессор Ниаура. «Мы планируем создать композитные наночастицы, состоящие из меди и магнитных компонентов, которые будут выполнять двойную функцию. Магнетизм помогает контролировать осаждение частиц, их концентрацию и очистку».
Учёные из FTMC подчёркивают, что, хотя предстоит проделать большую работу, прежде чем их идея может быть применена в клинических условиях, метод неуклонно совершенствуется — и они уже сделали уверенный шаг к созданию надёжной, стабильной и экономически эффективной технологии.