Polymerní kartáče – tenké polymerní vrstvy na povrchu biočipu. Tloušťka pouhých desítek nanometrů, nepostřehnutelná okem. A přesto rozhodují o tom, jestli biočip bude fungovat spolehlivě. I na tak zdánlivě dokonalém povrchu se však mohou ukrývat drobné vady. Dá se vůbec zjistit, kde jsou a jak ovlivňují kvalitu polymerního kartáče? Tým pod vedením Hany Lísalové ze Sekce optiky Fyzikálního ústavu AV ČR ve spolupráci s vědci z Matematicko-fyzikální fakulty UK (MFF UK) pomocí povrchem zesílené Ramanovy spektroskopie (SERS) a molekulární sondy tyto skryté defekty zmapoval a ukázal, jak jim lze do budoucna předcházet. Výsledky zveřejnil časopis Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy.
Příprava a mapování vrstev
Tým vědkyň a vědců z Laboratoře funkčních biorozhraní nejprve připravil tenké polymerní vrstvy s různým složením na površích, které vyvinul tým z MFF UK. Jedná se o sklo pokryté tenkou vrstvou zlata se stříbrnými nano-ostrůvky. Tyto povrchy zesilují Ramanův signál, tedy slabé světlo rozptýlené molekulami po dopadu laseru. Díky nim je možné detekovat odezvu i z několika málo molekul, které se dostanou do jejich blízkosti. Signál molekul, které zůstanou dál od kovového povrchu díky přítomnosti polymerního kartáče zůstane nezesílený, a tedy příliš slabý pro jeho detekci. A právě to umožnilo vědcům zviditelnit mikroskopické defekty v polymerních kartáčích.
Jako sondující molekulu použili methylenovou modř, která neprostoupí skrz neporušený polymerní kartáč, ale může se dostat blíže k povrchu substrátu v místech, kde jsou v kartáči trhliny. Její roztok o velmi nízké koncentraci nanesli na připravené vrstvy a po zaschnutí vzorků provedli mapování povrchu pomocí Ramanovy spektroskopie: laserem bod po bodu svítili na povrch a měřili spektrum rozptýleného světla. Z takto získaných dat sestavili detailní mapy, na nichž dokázali rozlišit neporušené oblasti od míst s mikrodefekty, kde se methylenová modř dostala blízko ke kovové vrstvě. Na základě intenzity a tvaru signálu navíc odlišili mělké defekty od hlubokých, zasahujících až k podkladu, a porovnali jejich výskyt mezi jednotlivými složeními vrstev.
Experimentální měření doplnily také počítačové simulace, které potvrdily, že molekuly methylenové modři mohou v místě defektu pronikat do struktury polymerních vrstev a usazovat se uvnitř, což odpovídá pozorovaným spektrálním změnám.
Složení rozhoduje
„I přesto, že je možné reálně předpokládat, že jsou defekty na antifoulingových površích poměrně vzácné – na ploše jednotek až desítek čtverečních milimetrů je obvykle jen několik takových bodů, zvyšují pravděpodobnost ulpívání nežádoucích molekul, čímž snižují spolehlivost biosenzorů. Při jejich mapování jsme navíc zjistili, že některé vrstvy jsou na vznik mikrodefektů náchylnější než jiné. Tímto výzkumem jsme tak dalším dílkem přispěli k vývoji ještě spolehlivějších biosenzorů. Jako naprosto zásadní pro úspěch této studie vnímám úzkou mezioborovou spolupráci s týmem z MFF UK, kde jsme tak mohli společně uplatnit jejich letité zkušenosti s metodou SERS provázaných s počítačovými simulacemi. Velmi proto děkuji jmenovitě Josefu Štěpánkovi, Marku Procházkovi, Ivanu Barvíkovi a Ondřeji Kyliánovi. Velmi pozitivně také vnímám, že se při této společné práci zužitkovala předchozí zkušenost první autorky této práce – Moniky Spasovové s Ramanovou spektroskopií, kterou již dřív využívala při řešení její diplomové práce právě na MFF UK.“ říká Hana Lísalová, vedoucí Laboratoře funkčních biorozhraní.
Výsledky také ukázaly, že složení polymerních kartáčů významně ovlivňuje jejich náchylnost ke vzniku mikrodefektů. Vrstvy bohaté na CBMAA (derivát metakrylamidu s karboxybetainovou skupinou, který přispívá k odolnosti proti ulpívání bílkovin) v sobě mají méně hlubokých defektů, jsou tedy odolnější a méně propustné až k podkladu než další zkoumané vrstvy. Naopak kartáče, kde je poměr HPMAA (derivátu metakrylamidu s hydroxypropylovou skupinou, který přispívá k hydrofilitě a pružnosti vrstvy) a CBMAA 2:1 měly nejvíce mikrodefektů, a to jak hlubokých, tak i mělkých.
„Mám radost, že se směr, který jsme před lety nastartovali, úspěšně rozvíjí a přináší nové spolupráce. Tento výsledek dobře ukazuje, jak důležitá je interdisciplinární spolupráce mezi klasickou optikou, materiálovou chemií a počítačovými simulacemi. Bez propojení těchto oborů bychom k takovým poznatkům jen těžko dospěli,“ říká Alexandr Dejneka, vedoucí Sekce optiky.
Výsledky otevírají cestu k navrhování polymerních kartáčů, které budou spolehlivější a méně náchylné k poruchám i v náročných podmínkách. Takové odolné povrchy jsou klíčové pro biosenzory, na jejichž přesnosti a stabilitě závisí medicínská diagnostika i řada dalších moderních technologií.