Zvětšit obrázek

Hatice Altug, šéfka sedmičlenného týmu. Pět pro nás exoticky znějících jmen prozrazuje, že výzkumně-vzdělávací potenciál USA v mnohých oblastech zajišťují pracovití a vzdělání si vážící lidé z krajin daleko na východě. Spojené státy vytvářejí podmínky a profitují z výsledků jejich pečlivé práce.

Američtí vědci z Bostonské university vyrobili zajímavý detektor na odhalování přítomnosti virů v biologických roztocích (krev, plasma...) bez nutnosti je předem různě upravovat jak si to vyžadují nyní používané metody, například polymerázová řetězová reakce (PCR - polymerase chain reaction), nebo způsob detekce protilátek metodou ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay). U nového přístroje stačí, aby bez speciálních příprav přišel povrch čidla do kontaktu s tekutinou a zařízení by mělo okamžitě zaregistrovat přítomnost hledaného viru.

Metoda, kterou vědci popsali v článku zveřejněném v Nano Letters představuje zajímavé spojení biologie s mladým odvětvím fyziky - plazmonikou (plasmonics). Nový biodetektor měří frekvence povrchových plazmonů polaritonů. Když světlo dopadá na tenký kovový film, absorbování fotonů s určitou energií vyvolá kmity kvazi-volných vodivostních elektronů. Vzhledem na vzájemné elektromagnetické působení jsou tyto excitace „kolektivní“. To se projeví hustotními oscilacemi, které se šíří jako vlny záporného náboje na pozadí kladných jader atomů uvězněných ve struktuře materiálu.

Zvětšit obrázek

Povrchové plazmony jsou indukované podélné hustotní vlny vodivostních elektronů v povrchové vrstvě kovového vodiče (zejména Ag, Au) s nanometrovou strukturou. Rozhraní kov–dielektrikum (polarizovatelný izolant) je tak zdrojem elektromagnetického pole.

Foton je energetické kvantum elektromagnetického záření. Analogicky je plazmon kvazičásticí představující kvantum energie těchto povrchových elektromagnetických vln vznikajících na rozhraní kov – dielektrikum. Dopadající světlo s plazmony interaguje a výsledkem je další druh kvazičástice – povrchový plazmon polariton (surface plasmon polariton). Tyto zajímavé jevy lze využít v nanotechnologiích, například pro optické nano-vlnovody, vynikající optické nano-čočky, nebo pro nano-litografii s rozlišením menším než je vlnová délka použitého laserového světla. Anebo pro biosenzory s obdivuhodnou citlivostí. A právě do této oblasti se zařazuje i biodetektor z Bostonské university. Vědci nezačínali na zelené louce, inspiraci čerpali z předcházejících prací, které se zabývaly například možnostmi citlivé detekce bakterií a specifických antigenů, o kterých se předpokládá, že je tělo produkuje při rakovině prostaty.

Základem snímací části je velmi tenká fólie z ušlechtilého kovu, například zlata, jež je perforovaná hustou sítí mikroskopických dírek. Jejich průměry jsou jenom 200 až 350 nanometrů (miliontin milimetru) a vzájemné vzdálenosti 500 až 800 nm. Díky polaritonům se jisté vlnové délky světla přes toto nanosíto prodírají mnohem lépe, než to povolují klasické zákonitosti optiky. Způsobují to polaritony s touto vlnovou délkou, které se hromadí okolo otvorů, kde se sice rozpadají, ale zároveň indukují na opačné straně fólie u hran perforace stejné excitace vodivostních elektronů. Ty také zanikají, re-emitujíce přitom fotony, jenž by přes nanodírku jinak neprošly.

Zvětšit obrázek

Znázornění principu optického plazmonového biosenzoru. Přítomnost virů v testované kapalině se projeví zvýšením vlnové délky světla procházejícího perforovanou fólií čidla v porovnání s kontrolním signálem. Kredit: H Altug

Vlnová délka těchto, přes perforaci přenášených rezonancí závisí na permitivitě dielektrika v okolí plazmonového čidla. Když se viry navážou na jeho povrch, zvýší se i vlnová délka záření prostupujícího sítem dírek. Přístroj tento posun zaregistruje a vyhodnotí jako přítomnost hledaného patogenu. O jaký typ konkrétně jde rozhoduje specifická protilátka, jež je cíleně navázaná na povrchu kovové fólie snímače. Musí jít o bílkovinu (imunoglobulin), kterou produkuje imunitní systém jako obranu proti hledanému patogenu. Na molekuly této bílkoviny se v biologickém roztoku příslušný virus naváže, což ovlivní frekvenci polaritonů a tyto změny jsou měřeným indikátorem (obrázek). Spolehlivost metody zajišťuje i velký poměr výstupný signál/šum.

Zvětšit obrázek

U okrajů otvorů perforace se na obou stranách kovové fólie seskupí povrchové plazmony polaritony a při svém zániku energii emitují v podobě fotonů. Tento jev umožňuje přenos záření s určitou vlnovou délkou. Kredit: American Institute of Physics

Vědci zatím tento nadějný biodetektor odzkoušeli na virech vztekliny, kravských neštovic, nebo pseudovirech Eboly. Je prý sto registrovat i nové, nebo velmi variabilní typy virů, které mohou mnohem pracnějším a na přípravu vzorků i zpracování údajů nepoměrně složitějším současným metodám uniknout. Vše závisí od navázaného typu protilátky a její schopnosti ve vzorku odchytit různě pozměněného neviditelného predátora.

Další výzkum by měl vyústit do praktického „terénního“ přístroje, kterým umožní i mimo specializované laboratoře rychle a spolehlivě identifikovat možné zdroje nebezpečných nákaz. Například mezi pasažéry na letištích. Alespoň tak uvádějí autoři. Raději ale reálné použití na větším americkém letišti v době epidemie paniky z nějakého děsivě nebezpečného viru ani nedomýšlet.

Zdroj: Boston University, College of Engineering