Przestań tańczyć! Nowy sposób zatrzymania pojedynczej cząsteczki w SERS

Globalny rozwój chorób cywilizacyjnych stanowi wyzwanie wymagające wielu nowoczesnych rozwiązań, nie tylko w leczeniu, ale przede wszystkim w zakresie wczesnej diagnostyki. Jedną z metod o wysokiej czułości umożliwiających szybką identyfikację nawet bardzo niskich stężeń biomarkerów lub leków w złożonych próbkach jest powierzchniowo-wzmocniona spektroskopia Ramana (SERS). Jednak pomimo wielu zalet metoda ta nadal nie jest stosowana w biomedycynie do wykrywania pojedynczych cząsteczek jako standardowa metoda analityczna. Najnowsze prace naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk pokazują skuteczne wychwytywanie pojedynczych cząsteczek, zwiększając dokładność i precyzję wykrywania związków metodą SERS. Praca badaczy otwiera nowe horyzonty w tej dziedzinie. Przyjrzyjmy się bliżej temu przełomowemu odkryciu.

Diagnostyka molekularna jest potężnym narzędziem, które umożliwia wykrywanie wielu cząsteczek związanych z rozwojem różnych chorób. Obejmuje ona m.in. testy PCR, które wykrywają obecność DNA lub RNA, umożliwiając identyfikację infekcji. Kolejną grupę stanowią testy immunologiczne ELISA, wykorzystujące przeciwciała do wykrywania określonych cząsteczek. Ważną rolę odgrywa także spektrometria masowa (MS), która pozwala na precyzyjną identyfikację cząsteczek w proteomice, metabolomice oraz w monitorowaniu leków. Uzupełnieniem tych metod są biosensory oraz techniki optyczne, służące do identyfikacji białek lub biomarkerów nowotworowych w próbkach biologicznych. Wśród tych technik ważną rolę odgrywa powierzchniowo-wzmocniona spektroskopia Ramana (SERS), która ma wysoką czułość i umożliwia wykrywanie „molekularnego odcisku palca” dla określonych cząsteczek np. biomarkerów w bardzo niskich stężeniach w czasie rzeczywistym. Wysoka czułość i precyzja są możliwe dzięki specjalnie zaprojektowanym powierzchniom na bazie metalu, na których umieszcza się próbkę. Chociaż SERS może wykrywać nawet bardzo niskie stężenia związków chemicznych mających kluczowe znaczenie we wczesnej diagnostyce chorób, skuteczne i niezawodne wykrywanie pojedynczych cząsteczek tą metodą nadal stanowi niebywałe wyzwanie. Jedną z przyczyn jest dynamika molekularna, w której pojedyncza cząsteczka zmienia orientację na powierzchni metalu. Cząsteczka będąca w ruchu różnie oddziałuje z podłożem w danej pozycji prowadząc do fluktuacji sygnału a to skutkuje mylną interpretacją zarejestrowanych widm.Tym samym, pomimo wysokiej czułości, SERS nadal nie jest stosowany jako standardowa metoda analityczna w diagnostyce medycznej. Z tego powodu wiele badań koncentruje się na opracowaniu powtarzalnych procedur, poprawie niezawodności i walidacji wyników, aby SERS stało się metodą diagnostyczną w czasie rzeczywistym do zastosowań klinicznych.

W obliczu tego problemu Patryk Pyrcz i Sylwester Gawinkowski - naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF) w Warszawie przedstawili nowe podejście do metodologii SERS, które polega na unieruchomieniu „tańczącej” cząsteczki w pułapce molekularnej. Wszystko po to, aby wykrywanie pojedynczych cząsteczek było szybsze, skuteczniejsze i niezawodne. Ich podejście opiera się na zrozumieniu zachowania pojedynczej molekuły w bliskim sąsiedztwie podłoża plazmonicznego np. nanocząstek złota lub srebra. Dlaczego oddziaływania pomiędzy cząsteczką a podłożem mają znaczenie? Identyfikacja substancji chemicznych za pomocą SERS opiera się na rozpraszaniu światła przez drgającą cząsteczkę. W przypadku wielu cząsteczek obecnych w analizowanej próbce sygnał z ich zmian pozycji jest uśredniany, co umożliwia wykrywanie i identyfikację. Jednak identyfikacja pojedynczej cząsteczki to zupełnie inna historia. Cząsteczka zmieniająca swoją orientację podczas pomiaru dynamicznie eksponuje różne grupy funkcyjne, co powoduje wzmocnienie sygnału Ramana dla konkretnej wibracji w cząsteczce. W związku z tym sygnał dla aktualnej pozycji cząsteczki może prowadzić do błędnej interpretacji. Naukowcy z IChF proponują nowatorskie rozwiązanie polegające na uwięzieniu „tańczącej” cząsteczki w makrocyklicznej molekule o kształcie dyni, zwanej kurkubit[7]urylem (CB[7]).

Po unieruchomieniu pojedynczej cząsteczki w kompleksie supramolekularnym jej sygnał w SERS jest wyraźny i wolny od przypadkowych fluktuacji, które zakłócałyby zarejestrowane widmo. Makrocykl CB[7] przyciągnął uwagę naukowców ze względu na swoją unikalną sztywną strukturę w kształcie beczki, której wnęka ma specyficzne właściwości umożliwiające wiązanie różnych cząsteczek, tzw. gości. Wnęka CB[7] charakteryzuje się właściwościami hydrofobowymi, dzięki czemu wypiera cząsteczki wody i łatwo tworzy kompleksy z cząsteczkami „gościa”, przy czym proces ten jest korzystny termodynamicznie. Dodatkową zaletą CB[7] jest obecność grup karbonylowych po obu stronach CB[7], co zapewnia tworzenie stabilnych połączeń z powierzchnią nanocząstek złota. To unikalne połączenie struktury CB[7] i położenia grup funkcyjnych sprawia, że jest on bardzo atrakcyjny dla zastosowań SERS, poprawiając dokładność i powtarzalność rejestrowanych widm.

„Supramolekularna enkapsulacja w CB[7] zapewnia skuteczne fizyczne ograniczenie bez chemicznej modyfikacji identyfikowanej cząsteczki, stanowiąc obiecującą alternatywę dla tradycyjnych metod łączenia kowalencyjnego, które często zmieniają właściwości molekularne. Mechanizm ten polega na tym, że CB[7] działa jak „klatka” molekularna, która ogranicza ruch translacyjny cząsteczki gościa, prowadząc do kilku powiązanych ze sobą efektów. A te, poprawiają wydajność SERS na pojedynczych cząsteczkach.” – mówi Patryk Pyrcz.

Efekt ten został zaprezentowany przy użyciu tioniny (Th), powszechnie znanego barwnika szeroko stosowanego do barwienia w badaniach biologicznych. Badania eksperymentalne zostały wsparte  symulacjami kwantowo-chemicznymi (DFT), które umożliwiły zaproponowanie mechanizmów na temat sposobu wiązania Th we wnęce CB[7]. . Nowatorskim elementem pracy było porównanie fluktuacji sygnału SERS z pojedynczej cząsteczki, która jest swobodnie zorientowana na powierzchni nanocząstki, oraz pojedynczej cząsteczki „uwięzionej” w CB[7].W przypadku wolnych cząsteczek Th sygnał jest zakłócany przez nagłe i drastyczne zmiany intensywności, podczas gdy kompleksy Th–CB[7] dają znacznie bardziej stabilne odpowiedzi SERS w czasie, co wskazuje, że CB[7] skutecznie ogranicza ruchliwość pojedynczych cząsteczek.

„Nasze wyniki pokazują, że enkapsulacja w CB[7] poprawia niezawodność wykrywania pojedynczych cząsteczek metodą SERS poprzez zmniejszenie fluktuacji amplitudy pasm Ramana. Pod wpływem elektronowego wzbudzenia rezonansowego analitu prawdopodobieństwo wykrycia wzrasta dzięki wymuszonemu przez CB[7] optymalnemu dopasowaniu dipolowego momentu przejścia Th do pola elektromagnetycznego nanownęki. W rezultacie efekt Ramana zachodzi bardziej efektywnie w porównaniu z cząsteczkami swobodnie zorientowanymi na powierzchni metalu, co znajduje odzwierciedlenie w bardziej dynamicznym zaniku sygnału SERS w przypadku Th-CB[7]” – zauważa dr Sylwester Gawinkowski.

Przedstawione wyniki stanowią krok naprzód w fundamentalnym zrozumieniu i rozwoju metodologii SERS na pojedynczych cząsteczkach przybliżając nas do praktycznych zastosowań. Autorzy podkreślają znaczenie ciekawości oraz interdyscyplinarnego podejścia w swoich badaniach, a także podkreślają konieczność dalszych badań nad różnymi supramolekularnymi strukturami w celu optymalizacji równowagi między stabilizacją fluktuacji cząsteczki gościa a wzmocnieniem sygnału. Badacze planują badać nie tylko barwniki, ale także biomarkery, które można wykryć w metabolitach. Kontrola dynamiki pojedynczych cząsteczek za pomocą chemii supramolekularnej jest kamieniem milowym w osiąganiu precyzyjnych i wiarygodnych danych analitycznych, przybliżając nas do znacznie tańszego, szybszego i czułego wykrywania biomarkerów w przyszłości.

Praca badaczy z IChF opublikowana w czasopiśmie ACS Physical Chemistry Au została wsparta w ramach programu „ Diamentowy Grant”, numer grantu 0047/DIA/2020/49 oraz przez Narodowe Centrum Nauki w Polsce, numer grantu 2020/39/B/ST4/01523.

KONTAKT:

Dr Sylwester Gawinkowski

Instytut Chemii Fizycznej , Polska Akademia Nauk

e-mail: sgawinkowski@ichf.edu.pl

ARTYKUŁ:

„Supramolecular Stabilization of Single-Molecule SERS: Cucurbit[7]uril Encapsulation of Thionine”

Patryk Pyrcz i Sylwester Gawinkowski

ACS Physical Chemistry Au, 2026 6 (1), 57-68

DOI: https://doi.org/10.1021/acsphyschemau.5c00076