צורה חדשה של ארגון ננו-מבנים מולידה אותות ראמאן מוגברים פי מאות אלפים, זאת לטובת זיהוי ואפיון של מולקולות שונות
![זיהוי ריכוזים נמוכים במיוחד של מולקולת חומר נבדק תוך שימוש בננו-חוטי סיליקון שאליהם מעוגנים ננו-חלקיקי כסף [באדיבות V.S. Vendamani]](https://www.hayadan.org.il/images/content3/2018/05/180102114213_1_540x3601-500x282.jpg)
[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
ככל שתחומי הרפואה והרוקחות מתמקדים יותר ויותר בתהליכים המתרחשים ברמה הננומטרית, כך הופכים הזיהוי והאפיון של מולקולות שונות למשימה חשובה. ספקטרוסקופיית ראמאן, המתבססת על הפיזור של אלומת לייזר לשם זיהוי מולקולות, מוגבלת ביכולתה לזהות מולקולות בדגימות מהולות בשל קבלת אותות חלשים מדי, אולם חוקרים בהודו הצליחו לשפר את הזיהוי המולקולארי בריכוזים נמוכים באמצעות ארגון של ננו-חלקיקי כסף על גבי ננו-חוטים של סיליקון.
ספקטרוסקופיית ראמאן מוגברת משטח (SERS) עושה שימוש בשדות אלקטרומגנטיים על מנת לשפר את פיזור הראמאן ולהגביר את רגישות השיטה תוך שימוש בצבענים רגילים כגון רודאמין 6G עד פי מיליארד. צוות המחקר שילב על גבי ננו-חוטים אנכיים של סיליקון ריכוזים משתנים של ננו-חלקיקי כסף לשם שיפור מבנהו התלת ממדי של המערך. התוצאות שלהם, שפורמו זה מכבר בכתב העת המדעי Journal of Applied Physics, מראות כי ההתקן החדשני מסוגל להגביר את אותות הראמאן של חומרים בסדר גודל של מאה אלף. “היופי בשיטה שלנו הוא בכך שאנו מסוגלים להגביר את הצפיפות של ננו-החוטים הללו באמצעות כימיה פשוטה”, אמר החוקר הראשי.
“אם יש צפיפות גבוהה של ננו-חוטים, אתה יכול לשלב הרבה יותר ננו-חלקיקי כסף לתוך המצע ובכך להגביר את הרגישות של ההתקן”. ועדיין, הטמעת הננו-מבנים הנדרשים לתוך התקני ספקטרוסקופיה מסוג SERS, נותרת אתגר. עיצוב מבנים אלו בשלושה ממדים עם ננו-חוטים של סיליקון הוליד תשומת לב מרובה בזכות שטח הפנים הגבוה שלהם ורמת הביצועים המועדפת שלהם, אולם, ננו-חוטים של סיליקון עדיין יקרים לייצור. במקום זאת, צוות המחקר הצליח למצוא דרך זולה יותר להכנת ננו-חוטים של סיליקון ולהשתמש בשיטת איכול מיוחדת על מנת לייצר מגוון נרחב של ננו-חוטים. את ננו-החוטים הללו החוקרים “עיטרו” בננו-חלקיקי כסף בעלי צפיפות משתנה ומבוקרת, מערך שהוביל להגדלת שטח הפנים של ננו-החוטים המשמשים לזיהוי.
“המיטוב של מבנים אנכיים אלו דרש מאמץ ניכר בהתחלה,” מסביר החוקר. לאחר שהחוקרים שיפרו את המערכת שלהם כך שיכלה לזהות צבען מסוג רודאמין בריכוז ננו-מולרי, החוקרים הצליחו לקבל רגישות הגבוהה פי עשרת אלפים עד מאה אלף. המערכת הצליחה לזהות ציטוזין, חומצת גרעין המרכיבה את הדנ”א, וכן את החומר אמוניום על-כלורתי, מולקולה המסוגלת לרמז על נוכחות של חומרי נפץ, בריכוזים מזעריים מאוד של 50 ו-10 מיקרו-מולר, בהתאמה. התוצאות הללו עודדו את החוקרים להאמין כי תוך זמן קצר יהיה אפשר לזהות תרכובות בריכוזים נמוכים עוד יותר, ברמות של ננו-מולר או אפילו פיקו-מולר. העבודה של צוות החוקרים סוללת את הדרך למספר מגמות עתידיות במחקר, החל מניסויים עם ננו-חלקיקים שונים (למשל, זהב) ועד הגברת היעילות של ננו-החוטים או בדיקת ההתקנים הללו עם מולקולות שונות.
עוד בנושא באתר הידען:
תגובה אחת
רבותיי וגבירותיי, בפרסום הזה יש לא מעט טעויות והטעיות. שתי העיקריות שבהן מופיעות למטה:
ראשית, החוקרים מדברים על הגברת אותות בשיטת SERS עד להגברה של האותות פי-מיליארד; אולם בספרות המקצועית, ידוע שמבנה SERS מעלה (כבר כיום!) את הרגישות לזיהוי פי-10 בחזקת 10 ועד לפי-10 בחזקת 11, כלומר כבר כיום יש מכשירים בשוק אשר יכולים לבצע הגברה של האות פי-100 יותר ממה שמדווח בפרסום הזה. אם כך – מה מיוחד בפרסום הזה? הוא לא מתקרב לעקבים של הטכנולוגיה הקיימת עכשיו! החוקרים שפרסמו כאן מגיעים להגברה נמוכה מדי, אז ממש אין להם כל סיבה להתלהב.
שנית, מהשרטוט של המערכת עולה שבעצם ננו-חלקיקי הכסף על פני חוטי הסיליקון נטבלים בתמיסת האנאליט ומקיימים מצב של pre-concentration, כלומר הם ממצים מהתמיסה את המולקולות הנדרשות ובכך מגבירים את האות שלהן. זה ממש לא קשור ולא דומה לצורת החישה של SERS! כאן זו הגדלת הריכוז הדו-מימדי של המולקולות באמצעות ספיחה, אשר בוודאי תגדיל את האות שיתקבל לפי חוק בר-למבר! ועדיין, כפי שציינתי בסעיף 1, הם מגיעית במקרה הטוב לכ-1% מהרגישות לסיגנלים של ראמאן המתקבלים מה-SERS “האמיתי” הקיים כבר כיום!
לסיום, הייתי מציע לחוקרים האלה להמשיך עם המערכת הקיימת שלהם אך למדוד את הסיגנלים באמצעות אלקטרוכימיה (אשר דרך אגב, היא בעלת הגברה של בערך פי-100,000 בשל קבוע פאראדיי שערכו המדוייק הוא 96,485 קולון למול). ניתן להתייחס להתקן הזה גם כאל התקן FET )Field Effect Transistor), בשל תלות ההולכה החשמלית של חוטי הסיליקון בסביבתם המיידית – כמו שינויים ביחס שבין מספר חלקיקי הכסף שנותרו חשופים למספר חלקיקי הכסף שנקשרו למולקולות האורגניות הנחקרות. ההתלהבות של החוקרים האלה במדידת ראמאן בצורה המתוארת בפרסום הזו הינה ממש מבישה… ???