Kolejny skok jakościowy w technikach detekcji niewielkich ilości związków chemicznych będzie z dużym prawdopodobieństwem związany ze wzmacnianą powierzchniowo spektroskopią ramanowską (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS). SERS jest techniką znaną od dekad, o potencjalnie znakomitej przyszłości. Pojawiają się na przykład koncepcje mikroskopów ramanowskich, zdolnych do śledzenia pojedynczych cząsteczek chemicznych bez ich wcześniejszego znakowania, tak uciążliwego np. we współczesnej mikroskopii fluorescencyjnej.

Szerokie stosowanie SERS było dotychczas radykalnie ograniczone z uwagi na niską jakość podłoży, na które należało nanosić badany roztwór, żeby otrzymać odpowiednie wzmocnienie sygnału. W Instytucie Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) w Warszawie już kilka lat temu zaprezentowano prototypowe podłoża spełniające wszystkie wymogi niezbędne do przekształcenia SERS w rutynową, powszechną technikę laboratoryjną. Obecnie, po kolejnych udoskonaleniach i testach, nowe podłoża, już z normami ISO, stają się dostępne dla wszystkich zainteresowanych dzięki działającej w ramach IChF PAN inicjatywie SERSitive (www.sersitive.eu), finansowanej ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Co ciekawe, rozpoczynająca się właśnie produkcja i dystrybucja podłoży SERSitive będzie prowadzona nie w odrębnej firmie, lecz w ramach działań statutowych IChF PAN. Informacje dotyczące podłoży SERS i ich produkcji przedstawiono na konferencji 20th International Conference on Spectroscopy and Spectral Analysis (ICSSA 2018), właśnie odbywającej się w Vancouver w Kanadzie.

SERS wykorzystuje subtelne zjawisko fizyczne. Gdy światło pada na cząsteczkę, fotony są pochłaniane i wkrótce emitowane ponownie, niemal zawsze z tą samą energią co niesiona przez zaabsorbowany foton (jest to tzw. rozpraszanie rayleighowskie). Zdarza się jednak, że podczas absorpcji część energii pochłanianego fotonu zwiększy energię drgań lub obrotów cząsteczki. W takim przypadku emitowany nieco później foton będzie miał odrobinę mniejszą energię od pierwotnego. Analogicznie, może dojść do sytuacji, gdy energia wyemitowanego fotonu nieco się zwiększy, ponieważ uniesie on część energii drgań lub obrotów cząsteczki. Mówimy wtedy o rozpraszaniu ramanowskim. W zarejestrowanym widmie cząsteczki, po obu stronach częstotliwości typowej dla rozpraszania rayleighowskiego, pojawią się wówczas piki wynikające ze zjawiska Ramana. Sygnał ramanowski w widmie jest jednak bardzo słaby, ponieważ w ten sposób rozprasza się tylko jeden foton na miliony innych. Na szczęście od 1974 roku wiadomo, że sygnał ramanowski może się wzmocnić miliony, a niekiedy nawet miliardy razy, jeśli cząsteczki analizowanego związku będą osadzone na silnie schropowaconym podłożu.

Główny problem z podłożami do SERS polegał na tym, że muszą one spełniać szereg kryteriów. Powinny być na przykład powtarzalne i jednorodne, a przy tym uniwersalne przynajmniej pod kątem zastosowań w badaniach określonej grupy związków chemicznych. Aby wyeliminować tło w widmach, podłoża muszą też być czyste, a jednocześnie powinny zapewniać duże wzmocnienie sygnału. Tymczasem dostępne do tej pory podłoża nie gwarantowały dosłownie niczego: sygnał ramanowski był raz wzmacniany, a raz nie, przy czym raz wzmocnienie mogło sięgać 100 tysięcy razy, a innym razem 10 tysięcy.

– Wyzwaniem okazało się nie tyle osiągnięcie dobrego wyniku w poszczególnych parametrach, ile spełnienie wszystkich wymogów jednocześnie. W praktyce skala trudności okazała się tak wielka, że przez kilkadziesiąt lat nikt nie wyprodukował podłoży gwarantujących zadowalającą jakość pomiarów! – wyjaśnia mgr Monika Księżopolska-Gocalska (IChF PAN), która pracuje w grupie prof. dr. hab. Roberta Hołysta i od początku prowadzi nadzór nad projektem SERSitive.

Podłoża SERSitive powstają w procesie elektrochemicznego nanoszenia nanocząstek srebra i złota na szkło przewodzące, tzw. ITO (szczegóły procesu są chronione dwoma patentami). Wielkości nanocząstek wahają się od 50 do 200 nanometrów. Silnie schropowacone podłoża są dostępne w dwóch odmianach: pokrytej wyłącznie nanocząstkami srebra oraz hybrydowej, zawierającej nanocząstki i srebra, i złota. Płytki mają rozmiary 9x7x0.7 mm, przy czym obszar aktywny ma wielkość 4x5 mm.
„Rozmiary płytek zostały tak dobrane, aby łatwo było nakroplić roztwór, a kropla dobrze się rozprowadziła. W razie potrzeby płytkę można nawet zanurzyć w niewielkim naczyniu z badaną substancją”, mówi mgr inż. Paweł Albrycht (IChF PAN), zajmujący się w grupie SERSitive udoskonalaniem i modernizacją podłoży.

Platformy SERSitive wzmacniają sygnały całej gamy substancji chemicznych, zwłaszcza wielocząsteczkowych o dużych cząsteczkach z wiązaniami podwójnymi. W praktyce oznacza to zdolność do detekcji wielu związków organicznych. W testach medycznych czy kryminalistycznych możliwe jest wykrywanie obecności narkotyków we krwi czy moczu, a także konkretnych bakterii w materiale biologicznym.

– O skali wyzwań związanych z podłożami do SERS może świadczyć fakt, że na udoskonalenie elektrochemicznych metod ich wytwarzania świat musiał czekać aż 47 lat. Gdy sześć lat temu sami zaczynaliśmy prace nad tymi podłożami, przez pierwsze półtora roku nam także nie wychodziło kompletnie nic. Fakt, że dziś jesteśmy w stanie nie tylko wytwarzać odpowiednie podłoża, ale nawet oferować je innym, pokazuje, jak wielką rolę w rozwoju współczesnej nauki odgrywa upór wsparty rzetelną wiedzą i intuicją badawczą – podsumowuje prof. Hołyst.

O właściwościach podłoży SERSitive może się przekonać każdy zainteresowany: do testów są one udostępniane bezpłatnie.
Informacja prasowa inspirowana europejskim grantem Create (ERA Chair w ramach programu Horizon 2020).