Enkeltmolekyle påvisning af forurenende stoffer, sprængstoffer eller sygdomme nu muligt

En teknik, der kombinerer ultrafølsomheden af ​​overfladeforstærket Raman-spredning (SERS) med en glat overflade opfundet af Penn State-forskere, vil gøre det muligt at detektere enkelte molekyler af en række kemiske og biologiske arter fra gasformige, flydende eller faste prøver. Denne kombination af glat overflade og laserbaseret spektroskopi vil åbne nye applikationer inden for analytisk kemi, molekylær diagnostik, miljøovervågning og national sikkerhed.

Forskerne, ledet af Tak-Sing Wong, assisterende professor i maskinteknik og Wormley Family Early Career Professor in Engineering, kald deres opfindelse SLIPSERS, som er en kombination af Wong's glatte væskeinfunderede porøse overflader (SLIPS), en biologisk inspireret overflade baseret på den asiatiske kandeplante, og SERS.

"Vi har forsøgt at udvikle en sensorplatform, der giver os mulighed for at detektere kemikalier eller biomolekyler på et enkelt molekyle niveau, uanset om de er spredt i luften, flydende fase, eller bundet til et fast stof, " sagde Wong. "At være i stand til at identificere et enkelt molekyle er allerede ret svært. At være i stand til at detektere disse molekyler i alle tre faser, det er virkelig udfordrende."

Wong havde brug for hjælp fra postdoc-stipendiat Shikuan Yang til at kombinere SERS og SLIPS i en enkelt proces. Yang blev uddannet i Raman-spektroskopi i karakteriseringslaboratoriet ved Penn State's Materials Research Institute. Hans ekspertise i SERS-teknikken og Wongs viden om SLIPS gjorde dem i stand til at udvikle SLIPSERS-teknologien. Deres arbejde udkom online den 31. december, 2015 i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Raman-spektroskopi er en velkendt metode til at analysere materialer i flydende form ved hjælp af en laser til at interagere med de vibrerende molekyler i prøven. Molekylets unikke vibration flytter frekvensen af ​​fotonerne i laserlysstrålen op eller ned på en måde, som kun er karakteristisk for den type molekyle. Typisk, Raman -signalet er meget svagt og skal forbedres på en eller anden måde til detektion. I 1970'erne, forskere fandt ud af, at kemisk ru overflade af et sølvsubstrat koncentrerede Raman-signalet fra materialet adsorberet på sølvet, og SERS blev født.

Wong udviklede SLIPS som postdoktor ved Harvard University. SLIPS er sammensat af en overflade belagt med regelmæssige rækker af nanoskala-poster tilsat et flydende smøremiddel, der ikke blandes med andre væsker. Den lille afstand mellem nanoposterne fanger væsken mellem stolperne, og resultatet er en glat overflade, som intet klæber til.

"Problemet er, at forsøg på at finde nogle få molekyler i et flydende medium er som at prøve at finde en nål i en høstak, " sagde Wong. "Men hvis vi kan udvikle en proces til gradvist at formindske størrelsen af ​​dette væskevolumen, vi kan få et bedre signal. For at gøre det har vi brug for en overflade, der tillader væsken at fordampe ensartet, indtil den når mikro- eller nanoskalaen. Andre overflader kan ikke gøre det, og det er her SLIPS kommer ind."

Hvis en dråbe væske anbringes på en normal overflade, det vil begynde at krympe fra toppen og ned. Når væsken fordamper, målmolekylerne efterlades i tilfældige konfigurationer med svage signaler. Men hvis alle molekylerne kan samles blandt guld -nanopartiklerne, de vil producere et meget stærkt Raman-signal.

"Først skal vi bruge ledende nanopartikler, som guld, Shikuan Yang forklarede. "Og så skal vi samle dem, så de laver nanoskala mellemrum mellem partiklerne, kaldet hot spots. Molekylerne binder sig til hullerne, og der dannes et meget stærkt elektromagnetisk felt. Hvis vi har en laser med den rigtige bølgelængde, elektronerne vil oscillere, og der dannes et stærkt magnetfelt i mellemrummet. Dette giver os et meget stærkt signal. "

Selvom der er andre teknikker, der gør det muligt for forskere at koncentrere molekyler på en overflade, disse teknikker arbejder for det meste med vand som medium. SLIPS kan bruges med enhver organisk væske.

"Vores teknik åbner større muligheder for, at folk kan bruge andre typer opløsningsmidler til at udføre enkeltmolekyle SERS -detektion, såsom miljøpåvisning i jordprøver, "Sagde Yang." Hvis du kun kan bruge vand, det er meget begrænsende. "I biologi, forskere vil måske opdage et enkelt basepar-mismatch i DNA. Vores platform vil give dem den følsomhed."

Et af de næste skridt vil være at påvise biomarkører i blodet til sygdomsdiagnostik i de meget tidlige stadier af kræft, når sygdommen er lettere at behandle.

"Vi har opdaget et almindeligt protein, men har ikke opdaget kræft endnu, " sagde Yang.

Selvom SLIPS-teknologien er patenteret og licenseret, holdet har ikke søgt patentbeskyttelse på deres SLIPSERS arbejde.

"Vi tror på, at det at tilbyde denne teknologi til offentligheden vil få den udviklet i et meget hurtigere tempo, " sagde professor Wong. "Dette er en kraftfuld platform, som vi tror, ​​at mange mennesker vil drage fordel af."