Sposób osadzania nanocząstek metalu na powierzchni w procesie elektrochemicznym

Pełna nazwa: Sposób osadzania nanocząstek metalu na powierzchni w procesie elektrochemicznym, powierzchnia otrzymana tym sposobem i jej zastosowanie

Istota wynalazku

Mimo ogromnego rozwoju nauki i przemysłu, wciąż istnieją problemy, z którymi ludzkość nie może sobie poradzić. Potrafimy latać w kosmos, odkrywać nowe formy życia, jednak w starciu z mikro-, a nawet nanometrycznymi organizmami i substancjami chemicznymi, które „zamieszkują” naszą planetę - bardzo często przegrywamy.

W ostatnich latach na popularności zyskują tzw. „dopalacze”, substancje mające na celu wywołanie w organizmie efektu podobnego do działania narkotyków. Niemniej jednak, o ile skład chemiczny narkotyków jest znany i istnieją metody ich oznaczania (warunek skutecznego leczenia), o tyle struktura chemiczna dopalaczy jest zmienna. Wyprzedzając zmiany w prawie, producenci dopalaczy ciągle poszukują nowych psychoaktywnych substancji. Jednocześnie nawet jednorazowe zażycie dopalaczy może doprowadzić do śmierci.

Innym przykładem niewidocznych „zabójców” są mikroorganizmy takie jak bakterie, które cechuje zdolność szybkiego przystosowywania się do nowych warunków, czego skutkiem jest ich rosnąca odporność na leki. Jedną z najgorszych chorób wywołanych przez te drobnoustroje jest sepsa, która w ciągu kilku dni może doprowadzić do śmierci człowieka.

W powyższych przypadkach możliwość pomocy choremu zależy od szybkiego wykrycia i rozpoznania w organizmie określonych substancji lub mikroorganizmów. Jednocześnie problem identyfikacji jest tym pilniejszy, im bardziej wzrasta ryzyko ataków bioterrorystycznych. Niestety obecnie stosowane metody detekcji są skomplikowane i czasochłonne, co powoduje, że wyniki analiz często przychodzą zbyt późno.

Powyższe obserwacje zainspirowały nas do poszukiwania szybkiego i taniego sposobu wykrywania i oznaczania szerokiego spektrum substancji i mikroorganizmów, które mogą zagrażać człowiekowi. W tym celu, wykorzystaliśmy dynamicznie rozwijającą się technikę - powierzchniowo wzmocnioną spektroskopię Ramana (ang. SERS), polegającą na pomiarze promieniowania cząsteczek badanej substancji osadzonej na odpowiedniej platformie. Widmo promieniowania zarejestrowane dla konkretnej substancji przy zastosowaniu tej techniki stanowi jej „odcisk palca”. Oznacza to, że dany związek chemiczny lub substancja biologiczna ma zawsze takie samo, specyficzne dla niej widmo. Widmo substancji może zatem stanowić podstawę jej identyfikacji i to nawet w bardzo rozcieńczonych roztworach (stężenia rzędu: 1 cząsteczka na mln).

Do końca XX w. technika ta pozostawała ciekawostką naukową, głównie z uwagi na brak odpowiednich platform (podłoży), na które nakładany jest roztwór badanej substancji w celu dokonania pomiaru (rejestracji jej widma). Choć próby projektowania takich podłoży podejmowane były na całym świecie - nie udało się otrzymać tanich, dobrze wzmacniających sygnał platform.

Nasz zespół, zaprojektował platformę SERS, dokonując połączenia elektrochemicznej metody osadzania nanocząstek na powierzchni z nowym sposobem przygotowania roztworu reakcyjnego (kontrolując jego temperaturę). Dzięki temu udało się uzyskać stabilną platformę złożoną z nanocząstek metalu (srebra lub złota) o chropowatości umożliwiającej odpowiednie wzmocnienie rejestrowanego sygnału. Okazało się, że nasze podłoża dają dobrej jakości widma, zaś przeprowadzone testy (również ślepe) dla bakterii, dopalaczy i narkotyków potwierdziły możliwość identyfikacji tych substancji na podstawie ich widm. Jednocześnie uzyskanie obrazu „podejrzanego” indywiduum przy wykorzystaniu naszych podłoży zajmuje kilkanaście sekund, co – w porównaniu do innych metod oznaczania substancji – jest kluczowe w sytuacji ratowania życia.

Potencjał komercjalizacji

Wysoki potencjał komercjalizacyjny naszych podłoży SERS wynika z możliwości detekcji przy ich wykorzystaniu szerokiego spektrum substancji chemicznych i mikroorganizmów nawet w bardzo rozcieńczonych roztworach, w tym w płynach ustrojowych. Dzięki temu umożliwiają one wykrywanie i rozpoznawanie bakterii, wirusów, antygenów (np. raka), substancji śladowych (np. narkotyków, dopalaczy) i wielu innych substancji.

Zastosowanie naszych podłoży wymaga zakupu spektroskopu. Niemniej jednak biorąc pod uwagę coraz większą dostępność tanich przenośnych spektroskopów, technika ta będzie mogła być powszechnie stosowana w praktyce laboratoryjnej - w laboratoriach analitycznych, medycyny sądowej, w placówkach medycznych, stacjach epidemiologicznych (np. w analizie śladowej - określanie zanieczyszczeń wody, detekcji zagrożeń bioterrorystycznych), w przemyśle – kontrola żywności, a nawet w muzealnictwie - do detekcji i charakteryzacji barwników w obiektach archeologicznych i dziełach sztuki.