Золотые нанопальчики защитят младенцев от токсинов

Это случилось в 2008 году. Пресса с ужасом сообщала об отравлении 300 000 китайских новорождённых детской формулой, в состав которой было специально добавлено токсичное вещество меламин. Шестеро скончались.

Ларчик открывался просто: в тестах на пищевую ценность меламин выдаёт себя за протеин, на добавлении которого можно сэкономить. В результате, во всех цивилизованных странах была введена обязательная процедура контроля любых молочных продуктов (особенно китайского происхождения) на содержание меламина. Но применяемая сегодня технология довольно сложна и дорога. Решением проблемы, по мнению многих учёных, могло бы стать портативное устройство, использующее эффект поверхностного усиления комбинационного (или рамановского) рассеяния (SERS), что позволило бы значительно быстрее, проще и, главное, почти бесплатно выявлять опасный токсин.

Например, для обнаружения меламина в составе молочных продуктов американское Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств (FDA) использует сейчас масс-спектрометрию, которая требует дорогостоящего оборудования, сложной процедуры пробоподготовки, а также обученного оператора. Ну а сотрудники Исследовательской лаборатории компании Hewlett-Packard (США) обратились к спектроскопии комбинационного рассеяния как наиболее простому, наименее дорогому методу, применение которого возможно даже в полевых условиях. Многие органические молекулы, и меланин не исключение, генерируют характеристический рамановский сигнал при облучении светом с определённой длиной волны. К слову, на рынке есть несколько коммерчески успешных реализаций переносных рамановских спектрометров, но им не хватает чувствительности.

Специалисты НР сразу же сфокусировались на использовании эффекта поверхностного усиления комбинационного рассеяния (SERS), который позволяет детектировать молекулы, присутствующие даже в очень низких концентрациях. Для наблюдения эффекта резкого усиления сигнала типичный SERS-эксперимент требует помещения изучаемых молекул между наноструктурными металлическими элементами (например, нанесением их на поверхность близко расположенных наночастиц золота, а немного подробнее о механизме усиления см. здесь). Таким образом, задача сводится к созданию подходящего усилителя, который обеспечит простоту работы и мощность сигнала.

Найденное в НР решение очень элегантно. Пять полимерных нанопальцев, верхушки которых украшены золотыми наконечниками, образуют кольцо диаметром 500 нм. Эти «пальцы» способны немного изгибаться по направлению к центру образуемой ими воображаемой окружности, собираясь в «горку». Когда это происходит, перед нами предстаёт типичный SERS-усилитель (всегда используется набор близко расположенных единичных усилителей).

Своё устройство учёные протестировали с помощью образцов молока и детской формулы, к которым были добавлены различные концентрации меламина. В начале, используя простой диализ, из образцов были удалены большие молекулы (в первую очередь протеины). Затем несколько капель каждого из образцов были нанесены на небольшие чипы (5×5 мм), усеянные нанопальчиковыми группами. После этого образцы высушивались. В процессе сушки увеличивалось поверхностное натяжение, которое заставляло золотые наконечники сближаться, образуя наборы готовых к использованию SERS-усилителей с зажатыми внутри молекулами. Теперь для анализа подойдёт абсолютно любой рамановский спектрометр, даже собранный «на коленке». Интенсивность наблюдаемого характеристического сигнала меламина пропорциональна его концентрации в образце (хотя это почти бесполезная информация — любое детектируемое содержание токсина делает товар негодным к употреблению).

Как оказалось, предел обнаружения нового метода в случае детской формулы находится на уровне 100 частей на миллиард, что сильно лучше принятых сегодня норм (1 часть на миллион, но можно не сомневаться, что с внедрением более чувствительного метода эту цифру поправят).

Все подробности представлены в журнале Analytical Chemistry.

Подготовлено по материалам Chemical & Engineering News.