Совместная исследовательская группа из Швейцарии и США значительно продвинулась в развитии инструментов для мониторинга биомолекулярных взаимодействий в режиме реального времени. Ученые предложили новый чип, обеспечивающий работоспособность методики сверхчувствительной инфракрасной спектроскопии поглощения в жидкой среде, являющейся естественной «средой существования» для большинства биологических молекул.

Предложенное усовершенствование позволяет преодолеть многие из фундаментальных проблем, связанных с чрезвычайно сильным поглощением ИК-спектра молекулами воды. Кроме того, оно позволяет использовать для исследовательских работ намного меньшие объемы веществ, что дает минимизировать весь процесс.

Многие молекулы, в особенности биологические, поддаются возбуждению при помощи инфракрасного света. По типу колебаний атомов в молекуле, а также по колебательным модам ученые могут сделать выводы о том, какие связи присутствуют в образце.

Поэтому инструменты, позволяющие изучить эти режимы, помогают выяснить молекулярную структуру образца. Кроме того, они позволяют исследователям лучше понять основные биологические функции объекта. К примеру, при изучении болезней это дает возможность им лучше контролировать как ход заболевания, так и процесс лечения.

Не так давно подобные исследовательские инструменты получили новый импульс развития, благодаря одному из подразделов фотоники, известному как плазмоника. Именно это научное направление рассказало о том, что специально разработанные металлические наночастицы обеспечивают резонанс в средней инфракрасной области электромагнитного спектра.

Такие наночастицы сильно взаимодействуют со светом через локализованные поверхностные плазмоны (квазичастицы, определяемые, как коллективные колебания электронов на поверхности металла), т.е. они выступают в качестве эффективных оптических наноантенн, захватывающих большую долю света. Таким образом, плазмонный резонанс в инфракрасной области спектра может использоваться для создания зондов, которые настраиваются на различные колебательные моды в молекуле.

Основной проблемой ИК-спектроскопии в водной среде до сих пор являлся тот факт, что молекулы воды также сильно поглощают колебания из данной части электромагнитного спектра. Это означает, что вода создает своего рода «фоновый сигнал», подавляющий и скрывающий полезную информацию, полученную от крошечных биологических образцов.

Это превращает ИК спектроскопию в «интегральный» инструмент, способный работать только с большими объемами и масштабами. В идеале же исследователям нужен инструментарий для исследования очень тонких слоев образцов (толщиной от 5 до 100 нм).

Свое решение данной технической проблемы предложила совместная группа ученых из EPFL (Швейцария) и Boston University (США). Разработанное ими устройство, состоящие из небольшого массива специально созданных наноантенн из золота на поверхности оптически прозрачной подложки из фторида кальция, позволяет перейти к исследованию тонких биологических образцов. Для этого изучаемый образец необходимо поместить в жидкостную камеру поверх антенной решетки. При освещении образца через заднюю поверхность модуля, антенны обеспечат фокусировку света (как в направлении к образцу, так и в обратном направлении) за счет плазмонного резонанса на своей поверхности.

При такой схеме эксперимента, свету не требуется проходить через весь образец – достаточно взаимодействия с небольшой группой биологических молекул в непосредственной близости от антенны.

Основное преимущество предложенной техники заключается в том, что сигнал получается не зависящим от взаимодействия с окружающей средой. Кроме того, устройство позволяет делать локальные измерения, что чрезвычайно важно при изучении некоторых биологических процессов.

В ближайшее время группа ученых планирует расширить спектр биологических исследований, к которым применимо предложенное устройство, за счет разработки новых функциональных возможностей.

Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Communications.