Использование золота и света для изучения молекул в воде

Новое устройство размером с человеческий волос позволяет обнаруживать молекулы в жидком растворе и наблюдать за их взаимодействиями. Это представляет большой интерес для научного сообщества, поскольку в настоящее время нет надежного способа исследовать одновременно поведение и химическую структуру молекул в жидкости в реальном времени.

Технология, разработанная в Бостонском университете Хатице Алтуг и её студентом Роненом Адато, объединяет методы инфракрасной детекции и наночастицы золота. Она может сделать возможным целый новый класс измерений, что станет критически важным шагом для понимания базовых биологических функций, а также ключевых аспектов развития и лечения заболеваний. «Наша технология может оказаться полезной для изучения поведения белков, лекарств и клеток в крови или загрязнителей в воде», — говорит Хатице Алтуг.

Результаты исследования, проведённого теперь в EPFL, опубликованы в Nature Communications.

Как гитарная струна

Устройство основано на известном методе детекции — инфракрасной абсорбционной спектроскопии. Инфракрасный свет уже можно использовать для обнаружения элементов: луч возбуждает молекулы, которые начинают вибрировать по-разному в зависимости от их размера, состава и других свойств. «Это как гитарная струна, которая вибрирует по-разному в зависимости от своей длины», — объясняет Хатице Алтуг. Уникальная вибрация каждого типа молекулы служит её «подписью».

Эта техника хорошо работает в сухих средах, но не в водных. «Для обнаружения молекул требуется их большое количество. Также сложнее обнаружить молекулы в воде, так как при прохождении луча через раствор молекулы воды тоже вибрируют и мешают «подписи» целевой молекулы», — поясняет доктор Алтуг.

Использование наночастиц для захвата и «подсветки» молекул

Чтобы обойти эти препятствия, исследователи разработали систему, способную изолировать целевые молекулы и устранить помехи.

Устройство размером с монету состоит из миниатюрных жидкостных камер, покрытых с одной стороны наноразмерными частицами золота с удивительными свойствами. «Мы покрываем поверхность наночастиц, например, антителами, чтобы специфический белок или химическое вещество прилипало к ним», — объясняет исследователь. «Когда раствор, содержащий целевые элементы, вводится в камеру, наночастицы действуют как ловушки для молекул». Эта техника позволяет изолировать целевые молекулы от остальной жидкости.

Но это не единственная роль наночастиц. Они также способны концентрировать свет в нанометровых объёмах вокруг своей поверхности благодаря плазмонному резонансу.

В камере лучу не нужно проходить через весь раствор. Вместо этого он направляется прямо на наночастицу, которая концентрирует свет. Пойманные в ловушку целевые молекулы оказываются единственными, столь интенсивно подверженными воздействию фотонов.

Реакция между молекулами и инфракрасными фотонами чрезвычайно сильна, что позволяет обнаруживать и наблюдать за ними с очень высокой точностью. «Эта техника позволяет нам наблюдать молекулы in situ, когда они реагируют с элементами в своей естественной среде. Это может оказаться чрезвычайно полезным как для медицины, так и для биологии», — заявляет доктор Алтуг.

Применение в медицинских исследованиях

Ещё одно преимущество — чип чрезвычайно компактен и может быть подключён к уже используемым микроскопам. «Нам не нужны большие образцы для проведения анализов», — говорит Ронен Адато.

В будущем Хатице Алтуг намерена продолжить исследования, сосредоточившись на медицинских приложениях. Первые тесты были проведены с обычными молекулами антител, и теперь анализы необходимо усовершенствовать. «Мне очень хотелось бы работать с другими исследователями в области наук о жизни, больницами и биологами. Меня особенно интересует использование моего метода для изучения заболеваний, включая рак и неврологические расстройства, чтобы наблюдать эффект определённых лекарств на больные клетки или, например, обнаруживать биомаркеры заболеваний».