Aby silnie wzmocnić fale elektromagnetyczne emitowane przez pojedyncze cząsteczki chemiczne, naukowcy muszą osadzać badane obiekty na odpowiednich podłożach. W Instytucie Chemii Fizycznej PAN w Warszawie odkryto prostą i tanią metodę wytwarzania podłoży przeznaczonych dla spektroskopii SERS. Kluczową rolę w ich powstawaniu odgrywają sferyczne agregaty złota – kule rozmiaru mikrometrów, wyglądem przypominające kwiaty.
Wzmacniana powierzchniowo spektroskopia ramanowska (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) jest obiecującą techniką badawczą. Dzięki niej sygnały emitowane przez cząsteczki chemiczne mogą zostać wzmocnione setki tysięcy, a nawet miliony razy. "Jednak nie ma róży bez kolców", mówi dr hab. Marcin Fiałkowski, prof. nadz. Instytutu Chemii Fizycznej
Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN). "Aby wzmocnienie było tak duże, cząsteczki należy umieścić na odpowiednio ukształtowanym podłożu. Pod mikroskopem elektronowym zazwyczaj przypomina ono spiczaste góry, na przykład takie jak Alpy, z tą różnicą, że tu wysokość wierzchołków mierzy się w nanometrach, a góry pokrywa nie śnieg, lecz warstwa złota".
Na rynku nie ma obecnie tanich, dobrych i łatwych w eksploatacji podłoży do analizy sersowskiej, co jest jednym z czynników hamujących komercjalizację metody. Obiecującym rozwiązaniem problemu wydają się podłoża opracowane ostatnio w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w związku z realizacją grantu "Kwantowe nanostruktury". Powstają one przez osadzanie na powierzchni płytki wytrącających się z roztworu, sferycznych i silnie postrzępionych złotych struktur. Oglądane pod mikroskopem elektronowym, te mikronowych rozmiarów kule przypominają pąki kwiatowe zbudowane z wielu płatków złota.
Największe wzmocnienie sygnału SERS występuje, gdy cząsteczka osiądzie na styku dwóch "szczytów" podłoża. Efekt ten trudno uzyskać na dotychczasowych, przypominających góry powierzchniach, ponieważ poszczególne wierzchołki są na nich wyraźnie rozdzielone. Inaczej jest w przypadku podłoży ze złotych kwiatów. "Gdy postrzępione mikrokwiaty osadzają się na powierzchni, tworzą grube, złożone struktury przestrzenne z dużą liczbą miejsc styku między płatkami. To dlatego sygnały emitowane z naszych podłoży są wzmacniane nawet dziesięć milionów razy", podkreśla doktorantka Katarzyna Winkler (IChF PAN).
Nie mniej istotna od wzmocnienia jest powtarzalność sygnałów otrzymywanych z konkretnego podłoża. Warstwy ze złotych kwiatów sprawdzają się pod tym względem znakomicie. Sygnały pochodzące od cząsteczek tego samego typu, znajdujących się w różnych miejscach tego samego podłoża, są do siebie bardzo podobne, co nie zawsze ma miejsce w przypadku powierzchni otrzymywanych innymi metodami. Wysoką powtarzalność sygnałów zaobserwowano także dla podłoży wykonanych na różnych płytkach, z użyciem osobno przygotowanych roztworów.
Produkcja podłoży ze złotych mikrokwiatów jest szybka, prosta i tania, nie wymaga stosowania robotów ani pomieszczeń o wysokiej czystości. "W mieszaninie reakcyjnej mamy tylko sól złota i reduktor w odpowiedniej proporcji. Jego zadaniem jest zredukowanie kationów złota do złota metalicznego", mówi Winkler. Do tak przygotowanego roztworu wystarczy włożyć schropowaconą płytkę. Proces osadzania złotych kwiatów zazwyczaj kończy się w ciągu godziny, a samo podłoże jest gotowe do użycia już następnego dnia.
Metoda pokrywania powierzchni złotymi mikrokwiatami z przeznaczeniem dla spektroskopii SERS została zgłoszona do opatentowania. Obecnie naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN dążą do tego, aby pokryte mikrokwiatami podłoża mogły być wykorzystywane wielokrotnie do pomiarów z użyciem różnych substancji. W tym celu są opracowywane metody zmywania analitów nienaruszające struktury podłoża.
Informacja prasowa Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.
