Makrokosmos w mikroskali
Naukowcy z IChF niczym Alicja w krainie czarów odkrywają sekrety mikroskopijnego świata mieszczącego się we wnętrzu kropli, a wszystko dzięki światłowodom i pomysłowości. Zdjęcie zrealizowane dzięki uprzejmości Muzeum Farmacji im. mgr Antoniny Leśniewskiej, Oddział Muzeum Warszawy; fot: Grzegorz Krzyżewski
Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN zaprezentowali urządzenie typu lab-on-a-chip, dzięki któremu możliwe jest wykrywanie niektórych związków chemicznych nawet w kropli o pojemności zaledwie kilku mikrolitrów.
Jak wskazał IChF PAN w przesłanym komunikacie, przez dekady miniaturyzacja elektroniki pozostawała w strefie marzeń i zdawała się być odległą perspektywą, a kompaktowy telefon, odtwarzacz muzyki lub telewizor były dalekie od ideału. Choć od chwili pojawienia się tychże urządzeń do ich zminiaturyzowanej wersji, jaką znamy na co dzień, upłynęło niewiele czasu, to dziś pomniejszane są nawet o wiele bardziej skomplikowane układy. Miniaturyzowane są nawet czujniki dedykowane do diagnostyki medycznej, więc niektóre urządzenia nie zajmują już całego pomieszczenia, a zaledwie niewielki skrawek miejsca.
Obecnie wykrywanie związków chemicznych jest łatwiejsze niż kiedykolwiek wcześniej, lecz prowadzenie analiz w pojedynczej kropli nadal pozostaje wyzwaniem - przypomniano w komunikacie. Naukowcy próbują miniaturyzować urządzenia do wykrywania substancji chemicznych w o wiele mniejszej objętości niż robione jest to w laboratoriach diagnostycznych.
"Gdyby ktoś powiedział kilka dekad temu, że jedna kropla roztworu wystarczy, aby odkryć jakie substancje kryją się w jej wnętrzu, z pewnością nikt by w to nie uwierzył. Na szczęście to już nie fikcja, a codzienność. Wychodząc na przeciw rosnącemu zapotrzebowaniu na prowadzenie w czasie rzeczywistym analiz w zaledwie kilku mikrolitrach roztworu, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN pod kierunkiem Martina Jӧnssona-Niedziółki we współpracy z badaczami z Politechniki Warszawskiej udowodnili, że detekcja w tak małej skali jest możliwa" - czytamy w komunikacie.
Jak wyjaśniono, nowa koncepcja badaczy łączy kilka rozwiązań opierających się na zminiaturyzowanych elektrodach, unikalnej geometrii płytki do gromadzenia roztworu oraz światłowodu. Naukowcy zaprezentowali połączenie różnych technik badawczych tworząc narzędzie o wiele czulsze niż klasyczne metody. "Taka kombinacja elektrochemii z technikami optycznymi oraz mikroskopijnym zbiornikiem na kroplę opłacała się pozwalając na o wiele więcej niż pierwotnie zakładano. To niesamowite, że dzięki „zaledwie” i jednocześnie „aż” sygnałom elektrochemicznym i optycznym wyjątkowo czuła analiza chemiczna mikroskopijnych kropel jest możliwa" - podaje IChF PAN.
„Przeprowadziliśmy serię eksperymentów elektrochemicznych równolegle z pomiarami optycznymi dla różnych pozycji mikroelektrod. Dzięki temu mogliśmy wyraźnie zobaczyć zmianę sygnału optycznego w miarę postępu reakcji elektrochemicznej” – wspomina dr Martin Jӧnsson-Niedziółka, cytowany w komunikacie.
Naukowcy wykazali, że kontrolując wielkość wgłębień na płytce typu „lab-on-a-chip” oraz indukując sygnał w światłowodzie za pomocą ablacji laserem femtosekundowym, mogą elektrochemicznie badać roztwór w setnych częściach mililitra roztworu. Co ciekawe, tajemnica dużej czułości układu kryje się w zastosowanym światłowodzie, który choć jest ma długą historię i jest powszechnie używany w telekomunikacji, umożliwia detekcję nawet minimalnych zmian w procesach chemicznych. A to za sprawą pomiaru parametru zwanego współczynnikiem załamania światła. W ten sposób zaprojektowany system może precyzyjnie mierzyć ugięcie światła w każdej z badanych kropel. Gdy w próbce zachodzi reakcja chemiczna, np. proces redukcji-utlenienia, wartości tego parametru zmieniają się, umożliwiając wykrycie nawet niewielkich różnic w składzie chemicznym w cieczy.
Dr Martin Jӧnsson-Niedziółka twierdzi, że „połączenie niezwykłej czułości światłowodów z ich elastycznością i narzędziami elektrochemicznymi daje nowe możliwości w detekcji związków chemicznych, szczególnie w analizie złożonych układów np. próbek biologicznych”.
Naukowcy porównali uzyskane wyniki z klasycznymi technikami tj. spektroskopia w bliskiej podczerwieni, celem porównania czułości detekcji na przykładzie reakcji redoks przy użyciu związku na bazie ferrocenu. "Co ciekawe, stosując tę metodę nie zarejestrowali różnicy między sygnałami postaci utlenionej i zredukowanej stosowanego wskaźnika redoks pokazując, że klasyczne rozwiązania w tak małej skali zawodzą. Tym samym badacze potwierdzili, że mierzenie zmian podczas przebiegu reakcji elektrochemicznych wraz z monitorowaniem właściwości optycznych roztworu umożliwia detekcję związków nawet w objętościach rzędu zaledwie kilku mikrolitrów. Dodatkowo, przeprowadzone analizy numeryczne potwierdziły, że detekcja ta jest możliwa nawet w jeszcze mniejszej objętości rzędu pikolitrów. Jest to niezwykle ważne w projektowaniu nowoczesnych urządzeń do przenośnego, wydajnego i czułego wykrywania substancji z roztworu" - czytamy w komunikacie.
„Wciąż jest jeszcze wiele do zrobienia, lecz niezmiernie cieszy nas fakt, że zaproponowany przez nas układ w ogóle działa. Już teraz ulepszamy aparaturę, aby system był łatwiejszy w obsłudze i bardziej uniwersalny w użyciu” – mówi dr Jӧnsson-Niedziółka.
Według naukowców przedstawione dane są obiecujące i mają ogromny potencjał pod kątem prowadzenia w przyszłości badań przesiewowych próbek biologicznych, takich jak metabolity lub zastosowania w innych dziedzinach np. do analizy próbek środowiskowych, a nawet materiałów niebezpiecznych.
"Być może zaproponowane przez naukowców rozwiązanie już niebawem pozwoli na przenośne wykrywanie wielu reakcji chemicznych o wiele szybciej i sprawniej niż przy użyciu klasycznej aparatury laboratoryjnej. Złożoność układu i czułość pomiarów wciąż wymagają prac celem optymalizacji licznych parametrów, lecz już teraz można stwierdzić, że jest to przełom w detekcji w mikroskali i z pewnością przyczyni się do polepszenia skuteczności przyszłego leczenia klinicznego" - wskazano w komunikacie Instytutu.
PAP - Nauka w Polsce
agt/
Przed dodaniem komentarza prosimy o zapoznanie z Regulaminem forum serwisu Nauka w Polsce.
