Schematisk bild av enkelsträngat DNA på aluminiumhålen i ett SERRS-substrat som bestrålas med DUV-ljus. Kredit:National Tsing Hua University
Den extrema noggrannheten och hastigheten hos NBA-trepoängaren Stephen Currys långdistansskott är välkända för basketfans runt om i världen, men precision och hastighet är också ett fokus för forskning inom biokemiska tester. Dr. Yen Ta-Jen, professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik, National Tsing Hua University, Taiwan, har publicerat en artikel om djup UV-ytförstärkt resonans Raman-spridning (DUV-SERRS) i Journal of the American Chemical Society , där han reviderar uppfattningar om ljusdiffraktion som också skapar en snabb, exakt spektral applikation. Det genomgår för närvarande kliniska prövningar för användning vid snabb screening för cancer och andra sjukdomar, och har även potentiella tillämpningar inom områden som genomscreening, biomedicinsk teknik, polymersyntes, kriminalteknik, miljö- och livsmedelssäkerhet, läkemedel och materialanalys.
Dr. Yen förklarar nyckeltekniken för att ändra normal ljusdiffraktion genom att hänvisa till öppning och stängning av en persienn. När persiennen är stängd hindrar den ljus från att komma in i rummet, vilket gör att det mörknar. Men med substratet Dr. Yen har utvecklat, hindras inte ljuset av sådana hinder, utan blir istället ljusare. Dr Yen sa att hans genombrott är resultatet av 18 år av systematisk och kontinuerlig forskning. Geometriska kaviteter i nanoskala gjorda på ett enkristall-aluminiumplåtsubstrat får ljuset att bete sig på ett sätt som det normalt inte gör – detta är resonansdiffraktion, vilket gör det möjligt att utveckla detektionsapplikationer som är enkla, snabba, repeterbara, etikettfria och ultrakänslig. Dessutom, medan de andra substraten som rapporteras i SERRS-tidningar bara har en till fyra Raman-toppar, har substratet som designats av Dr. Yen sju till nio, vilket avsevärt förbättrar resultaten.
Yen och en av hans teammedlemmar använder ett elektronmikroskop för att observera strukturen hos DUV—SERRS-enheten. Kredit:National Tsing Hua University
Bland de många tillämpningarna av detektorer är föroreningsövervakning, livsmedelssäkerhet, biomedicin och brottsplatsundersökningar; bland de många detektionsmetoderna är infraröd. Ramanspektroskopi är icke-invasiv och mindre känslig än infraröd för yttre störningar från ämnen som vatten och koldioxid, men är inte lika känslig. Dessutom är tvärsnittet av Raman-spridning liten, så dess spektroskopianalys kräver ett stort antal prover, vilket hindrar praktisk tillämpning.
Under de senaste åren har forskare utvecklat en teknik som kallas ytförstärkt Raman-spridning (SERS), som använder lokaliserad ytplasmonresonans för att förbättra detektionskänsligheten i storleksordningar genom interaktion mellan ljus och materia. Men för detektering av enstaka molekyler är SERS-teknologin fortfarande långt ifrån tillräcklig, vilket var det som fick Dr Yen att komma med en innovativ lösning, bestående av att öka excitationsfrekvensen för ytplasmonresonans för att inducera Raman-resonansspridningseffekten. På så sätt lyckades han utveckla en ytförstärkt resonant Raman-spridningsteknik (SERRS) som kan nå det djupa ultravioletta bandet (DUV, våglängd 266 nm).
Genom att mäta de emitterade Raman-signalerna från DUV—SERRS-substratet kan olika kvävebaserade sekvenser med deras karakteristiska toppar identifieras. Kredit:National Tsing Hua University
Denna unika och ultrakänsliga detektionsteknologi är etikettfri och har en stark lokal elektromagnetisk fält- och laddningsöverföringseffekt, så att den kan detektera ett extremt brett spektrum av ämnen, inklusive nukleinsyra, proteiner, kemiska ämnen, ultravioletta strålar i yttre rymden, och till och med det krut som användes i det ukrainsk-ryska kriget. Även med monomeren adenin (bas A), med en tjocklek på endast 1 nm, kan dess Raman-förstärkningsfaktor vara så hög som 10 6 gånger i det djupa ultravioletta bandet och satte nytt världsrekord. Den mycket förstärkta SERRS-signalen från 12-mer ss-DNA som först föreslagits av Dr. Yen är lämplig för användning med alla typer av nukleinsyrabaser, såväl som deras sekventiella mutationer; denna uppmätta mutation visar ett linjärt förhållande till kvantiteten av dess bas A, som kan användas som en kvantitativ detektionsapplikation.
Denna banbrytande teknik testas nu rigoröst i kliniska prövningar. Samtidigt utvecklar Dr. Yen en lågkostnadsversion som kan användas av konsumenter för att testa produkter för överdrivna halter av kvarvarande jordbrukskemikalier. + Utforska vidare
