Povrchem zesílený Ramanův rozptyl biomolekul

V 70. letech minulého století bylo zjištěno, že při adsorpci molekul na kovový povrch s nanonerovnostmi může dojít k zesílení intenzity Ramanova rozptylu i o několik řádů [1]. Tento jev dnes označujeme jako povrchem zesílený Ramanův rozptyl (SERS, z angl. surface enhanced Raman scattering). SERS tímto způsobem překonává tradiční problémy spojené s klasickou Ramanovou spektroskopií (nutnost vysokých koncentrací měřeného vzorku, dlouhé doby akumulace získaných dat, problémy s fluorescencí) a nejnovější trendy jeho rozvoje vedou k řadě bioanalytických aplikací včetně biosenzingu [2].

Udává se, že za hlavní příspěvek na celkovém zesílení odpovídá tzv. elektromagnetický mechanismus, který je založen na zesílení lokálního elektromagnetického pole v důsledku rezonanční excitace povrchových plazmonů v kovu [3]. Díky zesílení jak dopadajícího, tak rozptýleného záření, dochází k obvyklému zesílení Ramanova rozptylu v řádu 105 – 107, avšak udává se, že tento faktor může u určitých druhů molekul dosáhnout až hodnoty okolo 1012, což by mohlo vést k i detekci jednotlivých molekul [4]. Pro přípravu kovových substrátů se nejčastěji používá stříbro a zlato, neboť podmínka plazmonové rezonance je u těchto kovů splněna ve viditelné části spektra. Nejlepší zesílení poskytují stříbrné nanostruktury; zlato naopak vykazuje lepší stabilitu, je méně náchylné k oxidaci, než stříbro, a také je biokompatibilní, což je důležitá vlastnost pro studium biologických objektů.

Ačkoliv byl SERS objeven již v roce 1974, jeho použití pro rutinní analytické účely zůstává v praxi stále dosti omezené. Pro kvantitativní analýzu je totiž mimo dostatečně velkého zesílení neméně důležitá i dostatečná homogenita a časová stabilita použitého povrchu, která je klíčová pro reprodukovatelnost získaných dat. Snahou současné povrchem zesílené spektroskopie je vyrobit povrch, který by tyto předpoklady splňoval. V neposlední řadě je třeba volit kompromis mezi jednoduchostí přípravy, dostupností a cenou takového povrchu. Častá nepřímá úměrnost mezi reprodukovatelností daného substrátu, vyžadovanou pro rutinní analytické účely, a faktorem zesílení, od kterého se odvíjí schopnost detekovat dané molekuly i za velmi nízkých koncentrací, je v této oblasti dosud poměrně charakteristická [5]. Pro implementaci povrchem zesílené spektroskopie pro rutinní průmyslové využití či masovou výrobu funkčních biosenzorů je rovněž třeba řešit případnou degradaci povrchu s časem či možnost vzniku parazitního signálu způsobenou buďto světlem/teplem indukovanou dekompozicí navázaných molekul či nežádoucí kontaminací povrchu.

Mezi tradiční plazmonické nanostruktury, používané v povrchem zesílené Ramanově spektroskopii již od přelomu 70. a 80. let, patří zdrsnělé kovové elektrody, kovové ostrůvkové filmy a kovové koloidy. Nejčastěji používanými ke studiu (bio)molekul a jejich interakcí jsou přitom právě koloidy, a to především díky jejich levné a snadné přípravě a velice nízkým detekčním limitům (např. pro porfyriny až v řádu 10–9 M). Většina z těchto systémů však není vhodná pro analytické aplikace z důvodu jejich obtížně reprodukovatelné přípravy a díky přítomnosti tzv. hot-spotů také nedostatečné spektrální reprodukovatelnosti. Kvůli vysokým nárokům na dostatečně citlivou a reprodukovatelnou detekci molekul se zhruba v posledních 15 letech začaly objevovat další typy pravidelných pevných nanosubstrátů se snahou mít pod kontrolou velikost, tvar i uspořádání nanočástic na povrchu, jejichž vývoj pokračuje dodnes.

Na Oddělení fyziky biomolekul MFF UK jsou v posledních dvou letech v rámci projektů GAČR rozvíjeny spolupráce s Oddělením fyziky vrstev a povrchů Katedry makromolekulární fyziky MFF UK a Ústavem fotoniky a elektroniky AV ČR, jejichž výsledkem byla např. optimalizace přípravy stříbrných povrchů vzniklých magnetronovým naprašováním pod velkým úhlem (OAD, z angl. oblique angle deposition, [6]) a stříbrných ostrůvků stabilizovaných teflonovým filmem nanometrové tloušťky [7], a bylo provedeno zatím jejich první testování pro SERS. Další skupinou povrchů testovaných na našem oddělení ve spolupráci s Friedrich-Schiller-Universität v Jeně jsou zlaté povrchy připravené pomocí metody nanosphere lithography, připravované na FJFI ČVUT, které našly svoji potenciální aplikaci např. v kvantitativní detekci barviva azorubinu v různých nápojích [8] (Obrázek 1). Ve spolupráci s Ústavem fotoniky a elektroniky byla vedle zlatých substrátů připravených metodou hole-mask colloidal lithography během posledního roku zkonstruována i cela pro časově rozlišená SERS měření, na které proběhla měření prvních adsorpčních/desorpčních kinetik s použitím výše zmiňovaných substrátů.

SERS alkoholických nápojů
Obrázek 1

Literatura

  1. M. Fleischmann, P. J. Hendra, A. J. McQuillan: Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode, Chemical Physics Letters 26 (1974), 163 – 166.
  2. M. Procházka: Surface-Enhanced Raman Spectroscopy: Bioanalytical, Biomolecular and Medical Applications. Springer International Publishing, Switzerland, 2016.
  3. E. C. Le Ru, P. G. Etchegoin: Principles of Surface-Enhanced Raman Spectroscopy and related plasmonic effects. Elsevier, Amsterdam, 2009.
  4. K. Kneipp, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld: Surface-enhanced Raman scattering and biophysics, J. Phys.: Condens. Matter 14 (2002), R597 – R624.
  5. M. J. Natan: Concluding Remarks – Surface enhanced Raman scattering, Faraday Discussions 132 (2006), 321 – 328.
  6. M. Šubr, M. Petr, V. Peksa, O. Kylián, J. Hanuš, M. Procházka: Ag Nanorod Arrays for SERS: Aspects of Spectral Reproducibility, Surface Contamination, and Spectral Sensitivity, Journal of Nanomaterials 2015 (2015), 729231.
  7. M. Šubr, M. Petr, O. Kylián, J. Kratochvíl, M. Procházka: Large-scale Ag nanoislands stabilized by a magnetron-sputtered polytetrafluoroethylene film as substrates for highly sensitive and reproducible surface-enhanced Raman scattering (SERS), Journal of Materials Chemistry C 3 2015, 11478 – 11485.
  8. V. Peksa, M. Jahn, L. Štolcová, V. Schulz, J. Proška, M. Procházka, K. Weber, D. Cially-May, J. Popp: Quantitative SERS Analysis of Azorubine (E122) in Sweet Drinks, Analytical Chemistry 87 (2015), 2840 – 2844.

Více informací

Na našem oddělení se problematikou zabývají Marek Procházka, Vlastimil Peksa a Martin Šubr