Die extreme Genauigkeit und Geschwindigkeit der Langstreckenschüsse des NBA-Dreizeigers Stephen Curry sind Basketballfans auf der ganzen Welt bekannt, aber Genauigkeit und Geschwindigkeit stehen auch im Mittelpunkt der Forschung bei biochemischen Tests. Dr. Yen Ta-Jen, Professor am Department of Materials Science and Engineering, National Tsing Hua University, Taiwan, hat in der Zeitschrift der American Chemical Society, in dem er Vorstellungen über Lichtbeugung revidiert und eine schnelle, genaue spektrale Anwendung schafft. Es wird derzeit in klinischen Studien zur Verwendung beim schnellen Screening auf Krebs und andere Krankheiten getestet und hat auch potenzielle Anwendungen in Bereichen wie Genom-Screening, biomedizinische Technik, Polymersynthese, Forensik, Umwelt- und Lebensmittelsicherheit, Pharmazeutika und Materialanalyse.
Dr. Yen erklärt die Schlüsseltechnologie zur Änderung der normalen Lichtbeugung anhand des Öffnens und Schließens einer Fensterjalousie. Wenn die Jalousie geschlossen ist, verhindert sie, dass Licht in den Raum eindringt, wodurch dieser abgedunkelt wird. Mit dem von Dr. Yen entwickelten Substrat wird das Licht jedoch nicht durch solche Hindernisse behindert, sondern heller. Dr. Yen sagte, dass sein Durchbruch das Ergebnis von 18 Jahren systematischer und kontinuierlicher Forschung sei. Nanoskalige geometrische Hohlräume, die auf einem Einkristall-Aluminiumplattensubstrat hergestellt werden, bewirken, dass sich das Licht auf eine Weise verhält, wie es normalerweise nicht der Fall ist – dies ist resonante Beugung, die es ermöglicht, Detektionsanwendungen zu entwickeln, die einfach, schnell, wiederholbar und markierungsfrei sind hochsensibel. Während die anderen Substrate, über die in SERRS-Papieren berichtet wird, nur ein bis vier Raman-Peaks haben, hat das von Dr. Yen entworfene Substrat sieben bis neun, was die Ergebnisse erheblich verbessert.
Zu den vielen Anwendungen von Detektoren gehören Umweltverschmutzungsüberwachung, Lebensmittelsicherheit, Biomedizin und Tatortuntersuchungen; Zu den vielen Detektionsmethoden gehört Infrarot. Die Raman-Spektroskopie ist nicht invasiv und weniger anfällig als Infrarot für externe Störungen durch Substanzen wie Wasser und Kohlendioxid, ist aber nicht so empfindlich. Außerdem ist der Wirkungsquerschnitt der Raman-Streuung klein, sodass ihre spektroskopische Analyse eine große Anzahl von Proben erfordert, was die praktische Anwendung behindert.
In den letzten Jahren haben Forscher eine Technik namens oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) entwickelt, die lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz verwendet, um die Nachweisempfindlichkeit durch die Wechselwirkung von Licht und Materie um Größenordnungen zu verbessern. Aber für den Nachweis einzelner Moleküle reicht die SERS-Technologie noch lange nicht aus, was Dr. Yen dazu veranlasste, eine innovative Lösung zu entwickeln, die darin besteht, die Anregungsfrequenz der Oberflächenplasmonenresonanz zu erhöhen, um den Effekt der Raman-Resonanzstreuung zu induzieren. Auf diese Weise gelang ihm die Entwicklung einer oberflächenverstärkten resonanten Raman-Streuung (SERRS)-Technik, die das tiefe Ultraviolettband (DUV, Wellenlänge von 266 nm) erreichen kann.
Diese einzigartige und hochempfindliche Detektionstechnologie ist markierungsfrei und hat ein starkes lokales elektromagnetisches Feld und einen Ladungsübertragungseffekt, so dass sie eine extrem breite Palette von Substanzen erkennen kann, einschließlich Nukleinsäuren, Proteine, chemische Substanzen und ultraviolette Strahlen im Äußeren Weltraum und sogar das Schießpulver, das im ukrainisch-russischen Krieg verwendet wird. Selbst beim Monomer Adenin (Basis A) mit einer Dicke von nur 1 nm kann sein Raman-Verstärkungsfaktor im tiefen Ultraviolettbereich bis zu 106-mal höher sein, was einen neuen Weltrekord aufstellt. Das stark verstärkte SERRS-Signal der 12-mer ss-DNA, das zuerst von Dr. Yen vorgeschlagen wurde, ist für die Verwendung mit allen Arten von Nukleinsäurebasen sowie deren sequentiellen Mutationen geeignet; diese gemessene Mutation zeigt eine lineare Beziehung zur Menge ihrer Base A, die als quantitative Nachweisanwendung verwendet werden kann.
Diese bahnbrechende Technologie wird nun rigoros in klinischen Studien getestet. Gleichzeitig entwickelt Dr. Yen eine kostengünstige Version, die von Verbrauchern verwendet werden kann, um Produkte auf übermäßige Rückstände von landwirtschaftlichen Chemikalien zu testen.
Abhishek Dubey et al., Demonstration eines überlegenen Substrats mit oberflächenverstärkter Resonanz-Raman-Streuung (SERRS) im tiefen UV- und Einzelbasen-Mutationsnachweis in Oligonukleotiden, Zeitschrift der American Chemical Society (2021). DOI: 10.1021/jacs.1c09762