Ученые МФТИ и МГУ имени М.В. Ломоносова разработали плазмонные чернила на основе наночастиц золота, которые позволяют за несколько минут выявлять пиоцианин — характерный маркер инфекции, вызываемой синегнойной палочкой (Pseudomonas aeruginosa). Технология рассчитана на использование с портативным рамановским спектрометром и в перспективе может упростить экспресс-диагностику опасной инфекции непосредственно в медицинских учреждениях.
Разработка основана на усилении слабого оптического сигнала молекул пиоцианина с помощью золотых наночастиц особой формы. По данным разработчиков, технология не требует сложной лабораторной пробоподготовки и может использоваться с образцами слюны или бумажным сенсором.
Важно быстро выявлять синегнойную инфекцию
Pseudomonas aeruginosa относится к опасным условно-патогенным микроорганизмам и является одним из значимых возбудителей госпитальных инфекций. Бактерия способна вызывать тяжелые инфекции, включая пневмонию и септические состояния, а ее устойчивость к антибиотикам существенно осложняет лечение.
Традиционное микробиологическое исследование требует времени на выращивание культуры и последующую идентификацию возбудителя. При тяжелом состоянии пациента лечение может начинаться до получения окончательных результатов лабораторных исследований. Поэтому методы, способные быстрее дать информацию о наличии потенциально опасного возбудителя или его маркеров, представляют значительный интерес для клинической практики.
Золотые нанозвезды усиливают сигнал пиоцианина
В основе новой системы лежит определение пиоцианина — пигмента, характерного для метаболизма синегнойной палочки. Его молекулы обладают характерным спектральным сигналом, который можно регистрировать с помощью рамановской спектроскопии.
Проблема заключается в том, что при небольшом количестве вещества естественный сигнал может быть слишком слабым для надежной регистрации. Чтобы повысить чувствительность метода, исследователи использовали плазмонные наночастицы золота звездчатой формы.
Острые выступы таких «нанозвезд» создают области сильного локального электромагнитного поля. В результате сигнал молекул, находящихся рядом с поверхностью наночастиц, значительно усиливается. По данным разработчиков, усиление регистрируемого сигнала может достигать миллионов раз.
Синтез золотых нанозвезд проводится в две стадии:
- сначала по методу Туркевича получают сферические наночастицы золота диаметром около 15 нанометров;
- затем на их поверхности в присутствии аскорбиновой кислоты и нитрата серебра формируются острые выступы длиной около 30 нанометров.
Полученная структура одновременно выполняет функцию плазмонного усилителя и основы для создания специальных чернил.
Чернила можно заправить в обычный стержень
Одной из особенностей разработки стала возможность помещать плазмонные чернила в обычный стержень для ручки. При проведении анализа чернила наносят непосредственно на исследуемый образец либо используют бумажную подложку-сенсор.
После нанесения образца сигнал считывается с помощью рамановского спектрометра. В экспериментальной конфигурации с бумажным сенсором исследователи смогли обнаруживать пиоцианин в концентрации до 15 наномолей на литр.
Для портативного спектрометра при анализе мазка слюны предел обнаружения составил 5 микромолей на литр. Такой формат позволяет отказаться от сложной лабораторной пробоподготовки, включая центрифугирование и работу в стерильных боксах.
Потенциал для экспресс-диагностики
Как отмечает старший научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Илья Завидовский, у пациентов с выраженной синегнойной инфекцией концентрация пиоцианина в слюне может находиться в диапазоне от 47 до 100 микромолей на литр. Это указывает на возможность регистрации маркера с помощью портативной системы в диапазоне концентраций, представляющем практический интерес.
При этом разработку пока не следует рассматривать как полноценную замену стандартной микробиологической диагностике. На текущем этапе система предназначена для обнаружения пиоцианина, а не для прямой идентификации отдельных клеток синегнойной палочки.
Следующий этап — обнаружение самих бактерий
Разработчики уже создали работающие демонстрационные прототипы тест-систем. Следующим этапом станет адаптация плазмонных чернил для обнаружения непосредственно клеток Pseudomonas aeruginosa.
Исследовательская группа также планирует изучить возможность применения технологии для обнаружения других опасных патогенных микроорганизмов. Такой подход потенциально может расширить сферу применения портативной рамановской диагностики в больницах и других медицинских учреждениях.
По словам младшего научного сотрудника химического факультета МГУ Евгении Афонюшкиной, технология может быть востребована там, где особенно важна скорость получения аналитической информации, в том числе в приемных отделениях и службах скорой помощи.
Научная основа разработки
Проект выполнен специалистами МФТИ и МГУ имени М.В. Ломоносова. Исследование направлено на создание доступного формата плазмонного сенсора, который можно сочетать с компактными спектрометрическими системами.
Подробнее о разработке и результатах работы МФТИ сообщает в официальном материале.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России и Российского научного фонда.
