Netikėtas FTMC mokslininkų atradimas, patekęs ant žurnalo viršelio: varis – tinkamas ultravioletinei SERS spektroskopijai

Lietuvos mokslininkai sulaukė naujo tarptautinio įvertinimo: Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) chemikai habil. dr. Gediminas Niaura ir dr. Martynas Talaikis, kartu su užsienio kolegomis, pirmieji pasaulyje nustatė, kad varis yra tinkamas metalas ultravioletinės paviršiaus sustiprintos Ramano spektroskopijos tyrimams – ypač jautriam metodui, nagrinėjančiam molekulių virpesius.

Tai aprašantis straipsnis publikuotas prestižiniame žurnale „Advanced Optical Materials“ ir pasirodė ant jo galinio viršelio, o minimas pasiekimas aktualus daugybei žmonių: tai yra galimybė žymiai tiksliau atpažinti mažos molekulinės masės biocheminius junginius ir pirmas žingsnis naujos kartos ankstyvos odos vėžio diagnostikos link.

„Sritis, kurią pasirinkome, dar mažai ištyrinėta. Nedaug kas pasaulyje tuo užsiima“, – teigia FTMC chemikai, kurie apie šį pasiekimą pasakoja išsamiau.

Netikėtas atradimas

Trumpai prisiminkime, kas yra Ramano spektroskopija. Tai – pasaulyje plačiai naudojamas mokslinis metodas, kai lazerio šviesa, nukreipta į medžiagą, „parodo“ jos molekulių virpėjimą, ir iš to mokslininkai gali daug sužinoti apie įvairias medžiagos savybes.

FTMC fizikochemikai užsibrėžė ambicingą tikslą: panaudoti vieną iš pažangiausių virpesinės spektroskopijos metodų – paviršiaus sustiprintą Ramano spektroskopiją (angl. Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) – praktiniams medicinos taikymams, konkrečiau, nustatant odos vėžį ankstyvojoje stadijoje. Nors SERS plačiai paplitęs fundamentiniuose ir taikomuosiuose biomedicininiuose tyrimuose, klinikose metodas nėra taikomas dėl nepakankamo rezultatų atkuriamumo ir metodikos standartizavimo trūkumo. Kitas svarbus trūkumas – nepakankamas metodo atrankumas (gebėjimas atpažinti) mažos molekulinės masės vėžio biožymenims.

Tad mokslininkams kilo klausimas: kaip galima padidinti SERS metodo atrankumą ir signalo atkuriamumą? Pasirodo, daugelis biologiškai svarbių molekulių (tarp kurių ir vėžio žymenys) sugeria ultravioletinę (UV) spinduliuotę žymiai geriau nei, tarkime, kiti to biologinio audinio junginiai. Todėl pritaikius UV spinduliuotę yra padidinamas šių molekulių Ramano signalas ir ženkliai pagerinamas SERS metodo atrankumas.

(Habil. dr. Gediminas Niaura. FTMC nuotrauka)

„Siekiame panaudoti UV SERS kaip diagnostikos metodą greitam ir patikimam vėžio spektrinių žymenų nustatymui. Norima, kad tai pavyktų padaryti net tiesiogiai chirurginių operacijų metu. Ir tam pasitarnautų naujas kompaktiškas prietaisas“, – sausio mėnesį pristatydamas mokslininkų grupės  projektą sakė FTMC Organinės chemijos skyriaus darbuotojas, Lietuvos mokslo premijos laureatas habil. dr. G. Niaura.

Šiam tikslui lietuviai su užsienio partneriais kuria ir išbando įvairių metalų nanodaleles. Jos yra būtinas SERS metodo komponentas, nes veikia kaip itin jautrūs signalo stiprintuvai, padidinantys specifinių biologinių molekulių Ramano signalą net milijonus kartų. Idėja tokia: sumaišius nanodaleles su paciento odos tepinėliais (paimtais neinvaziniu būdu) ir apšvietus UV spinduliuote, būtų gaunamas SERS spektras. Jei mėginyje yra ankstyvų odos vėžio žymenų, jų spektriniai žymenys tampa aiškiai matomi, o tai leidžia nustatyti ligą gerokai anksčiau nei įmanoma tradiciniais metodais.

Ir štai, pernai pradėję projektą, FTMC tyrėjai dabar sulaukė pirmųjų daug žadančių ir netikėtų rezultatų: pasirodo, vario nanodalelės puikiai veikia kaip SERS signalo stiprintuvai panaudojant UV lazerinę spinduliuotę. Atradimas netikėtas, kadangi jau seniai žinoma, jog UV šviesa nesužadina elektrinio lauko sustiprėjimo vario paviršiuje, reikalingo SERS efektui pasireikšti. Tačiau, šiuo atveju, pasireiškia kitas, mažiau tyrinėtas – cheminis – signalo sustiprinimo mechanizmas.

Šis atradimas buvo pasiektas nelauktai, kai į FTMC atvykęs Leibnico fotonikos technologijų instituto mokslininkas (kuris vėliau tapo vienu iš minimo straipsnio autorių) dr. Vladimiras Sivakovas atvežė jo laboratorijoje sukurtų nanodalelių. „Tai buvo bismutas, varis ir kiti metalai. Atlikom bandymų su skirtingomis spinduliuotėmis, kad gautume patikimą SERS signalą. Su bismutu nieko nepavyko, tačiau varis netikėtai puikiai reagavo į ultravioletinę spinduliuotę“, – prisimena M. Talaikis.

(Dr. Martynas Talaikis. FTMC nuotrauka)

Molekulių judesiai ir „pirštų atspaudai“

„Naudojant varį buvo galima patikimai nustatyti mažos molekulinės masės aromatinius junginius, pavyzdžiui nukleobazę adeniną. Vario dalelės, pasirodo, gan stabilios, porą mėnesių jas išlaikėm nepakitusias. Kaip minėta, šiame tyrime labai svarbiu pasirodė cheminis vario paviršiaus stiprinimo mechanizmas. Kada molekulė adsorbuojasi („prisiklijuoja“) prie metalo paviršiaus, pakinta tos molekulės elektroninė struktūra, ir tas pokytis nulemia sustiprėjusią sąveiką su lazerine spinduliuote per vadinamąjį rezonansinį sustiprinimą, taigi labai sustiprėja signalas.

Į molekulę galima šviesti ir be metalinio paviršiaus: jeigu parenki tokią lazerinę spinduliuotę, kurią molekulė sugeria, signalas gali sustiprėti dešimtis tūkstančių kartų, tai yra seniai žinoma. Bet, kai molekulė prisijungia prie metalo, prasideda nauji efektai, ir rezultatas gali būti dar įspūdingesnis“, – pasakoja G. Niaura.

(Vieni iš straipsnio autorių, Leibnico fotonikos technologijų instituto mokslininkai Shivani Yadav ir dr. Vladimiras Sivakovas. Nuotrauka iš asmeninio archyvo)

FTMC mokslininkai prie vario paviršiaus pritvirtino adeniną – svarbią biologinę molekulę, kuri naudojama daugybėje laboratorijų visame pasaulyje, todėl gautą spektrinį signalą bei kitus duomenis galima nesunkiai palyginti su užsienio kolegų darbais.

Kaip tai atrodo praktiškai? Pažvelkime į „Advanced Optical Materials“ galinį viršelį: apačioje matome silicio padėklą, ant kurio pritvirtintos vario nanodalelės. Paviršius atrodo lygus, nors, jei vaizdą priartintume mikroskopu, išvystume daugybę „kalnelių“. Viršuje – UV lazerio spindulys, nukreiptas į varį. O viduryje matome adenino molekulės struktūrinę formulę ir SERS signalo duomenis.

(„Wiley“ leidyklos nuotrauka)

Įdomu tai, kad visos molekulės turi savo unikalų „pirštų atspaudą“, kurį kompiuterio ekrane gaudami tyrėjai gali nustatyti, kas tai per medžiaga. Kiekviena iliustracijoje pateikta SERS signalo „bangelė“ žymi skirtingą molekulės virpesį – taigi, galime suprasti, koks jautrus yra šis tyrimo metodas.

Pažangi technologija – netolimoje ateityje?

Galutinis lietuvių tikslas – sukurti biojutiklį, kuris greitai ir patikimai galėtų nustatyti odos vėžį. Šioje srityje FTMC bendradarbiauja su Malmės universiteto profesoriumi dr. Tautgirdu Ruzgu. Viskas būtų labai paprasta: ant įtartinos ar pakitusios paciento odos vietos būtų uždėta pašlapinta kempinėlė, kuri iš odos paviršiaus išplautų šiek tiek molekulių. Tuomet jos būtų perkeliamos į paruoštą mėginį su nanodalelėmis, apšviečiamos ultravioletine šviesa – ir gaunamas greitas atsakymas.

„Išspausdinę straipsnį, dabar ieškome kitų tinkamų metalų eksperimentams, tačiau ir su variu dirbame toliau, – sako G. Niaura. – Bandysime sukurti kompozicines nanodaleles sudarytas iš vario ir magnetinių komponentų, kurios atliktų dvigubą funkciją. Magnetizmas padeda geriau suvaldyti dalelių nusodinimą, koncentravimą bei valymą.“

(Taip paviršiai su vario nanodalelėmis atrodo žiūrint plika akimi. FTMC nuotrauka)

FTMC mokslininkai pabrėžia, kad kelias iki jų idėjos realaus pritaikymo medicinoje dar ilgas, metodas tobulinamas – tačiau jau žengtas tvirtas žingsnis link patikimos, stabilios ir nebrangios technologijos.

Šiam FTMC vykdomam tyrimui finansavimą skyrė Lietuvos mokslo taryba (LMTLT), sutarties Nr. S-MIP-23-30 „Magneto-plazmoninės nanodalelės mažos molekulinės masės UV-SERRS spektrinių žymenų nustatymui“ (MAG-UV-SERRS).

Straipsnį parengė FTMC Viešųjų ryšių ir komunikacijos specialistas Simonas Bendžius

Šį tekstą galite skaityti ir portaluose Lrytas.lt bei Technaujienos.lt.