Ilustración artística que muestra una plataforma de detección ultrasensible denominada dispersión Raman mejorada en superficie porosa con infusión de líquido resbaladizo (SLIPSERS). En esta plataforma, una gota acuosa o de aceite que contiene nanopartículas de oro y analitos capturados se deja evaporar sobre un sustrato resbaladizo, que conduce a la formación de un agregado de nanopartículas altamente compacto para la detección de dispersión Raman mejorada en la superficie (SERS). Crédito:Shikuan Yang, Birgitt Boschitsch Stogin, y Tak-Sing Wong / Penn State
Una técnica que combina la ultrasensibilidad de la dispersión Raman mejorada en la superficie (SERS) con una superficie resbaladiza inventada por investigadores de Penn State hará que sea factible detectar moléculas individuales de varias especies químicas y biológicas de gases, muestras líquidas o sólidas. Esta combinación de superficie resbaladiza y espectroscopia basada en láser abrirá nuevas aplicaciones en química analítica, diagnóstico molecular, vigilancia ambiental y seguridad nacional.
Los investigadores, dirigido por Tak-Sing Wong, profesor asistente de ingeniería mecánica y profesor de carrera temprana en ingeniería de la familia Wormley, llamar a su invención ZAPATILLAS, que es una combinación de las resbaladizas superficies porosas con infusión de líquido (SLIPS) de Wong, una superficie de inspiración biológica basada en la planta de jarra asiática, y SERS.
"Hemos estado tratando de desarrollar una plataforma de sensores que nos permita detectar sustancias químicas o biomoléculas a nivel de una sola molécula, ya sea que estén dispersas en el aire". fase líquida, o atado a un sólido, "Dijo Wong." Ser capaz de identificar una sola molécula ya es bastante difícil. Ser capaz de detectar esas moléculas en las tres fases, eso es realmente desafiante ".
Wong necesitaba la ayuda del becario postdoctoral Shikuan Yang para combinar SERS y SLIPS en un solo proceso. Yang se formó en espectroscopia Raman en el laboratorio de caracterización del Instituto de Investigación de Materiales de Penn State. Su experiencia en la técnica SERS y el conocimiento de Wong sobre SLIPS les permitió desarrollar la tecnología SLIPSERS. Su trabajo apareció en línea el 31 de diciembre. 2015 en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .
La espectroscopía Raman es un método bien conocido para analizar materiales en forma líquida usando un láser para interactuar con las moléculas vibratorias en la muestra. La vibración única de la molécula cambia la frecuencia de los fotones en el rayo de luz láser hacia arriba o hacia abajo de una manera que es característica solo de ese tipo de molécula. Típicamente, la señal Raman es muy débil y debe mejorarse de alguna manera para su detección. En los 1970s, Los investigadores encontraron que la rugosidad química de la superficie de un sustrato de plata concentraba la señal Raman del material adsorbido en la plata, y nació SERS.
Wong desarrolló SLIPS como investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard. SLIPS está compuesto por una superficie recubierta con arreglos regulares de postes a nanoescala infundidos con un lubricante líquido que no se mezcla con otros líquidos. El pequeño espacio de los nanoposts atrapa el líquido entre los postes y el resultado es una superficie resbaladiza a la que nada se adhiere.
"El problema es que tratar de encontrar algunas moléculas en un medio líquido es como intentar encontrar una aguja en un pajar, ", Dijo Wong." Pero si podemos desarrollar un proceso para reducir gradualmente el tamaño de este volumen de líquido, podemos obtener una mejor señal. Para ello necesitamos una superficie que permita que el líquido se evapore uniformemente hasta llegar a la micro o nanoescala. Otras superficies no pueden hacer eso, y ahí es donde entra SLIPS ".
Si se coloca una gota de líquido sobre cualquier superficie normal, comenzará a encogerse de arriba hacia abajo. Cuando el líquido se evapora, las moléculas diana se dejan en configuraciones aleatorias con señales débiles. Pero si todas las moléculas pueden agruparse entre las nanopartículas de oro, producirán una señal Raman muy fuerte.
"Primero necesitamos usar nanopartículas conductoras, como el oro, ", Explicó Shikuan Yang." Y luego tenemos que ensamblarlos para que hagan espacios a nanoescala entre las partículas, llamados puntos calientes. Las moléculas se unen a los huecos y se forma un campo electromagnético muy fuerte. Si tenemos un láser con la longitud de onda correcta, los electrones oscilarán y se formará un fuerte campo magnético en el área del hueco. Esto nos da una señal muy fuerte ".
Aunque existen otras técnicas que permiten a los investigadores concentrar moléculas en una superficie, esas técnicas funcionan principalmente con agua como medio. SLIPS se puede utilizar con cualquier líquido orgánico.
"Nuestra técnica abre mayores posibilidades para que las personas utilicen otros tipos de disolventes para realizar la detección de SERS de una sola molécula, como la detección ambiental en muestras de suelo, "Dijo Yang." Si solo puedes usar agua, eso es muy limitante. "En biología, los investigadores podrían querer detectar un solo desajuste de pares de bases en el ADN. Nuestra plataforma les dará esa sensibilidad ".
Uno de los próximos pasos será detectar biomarcadores en la sangre para el diagnóstico de enfermedades en las primeras etapas del cáncer, cuando la enfermedad se puede tratar más fácilmente.
"Hemos detectado una proteína común, pero aún no he detectado el cáncer, "Dijo Yang.
Aunque la tecnología SLIPS está patentada y con licencia, el equipo no ha solicitado protección mediante patente sobre su trabajo con SLIPSERS.
"Creemos que ofrecer esta tecnología al público hará que se desarrolle a un ritmo mucho más rápido, ", dijo el profesor Wong." Esta es una plataforma poderosa de la que creemos que mucha gente se beneficiará ".
