Νανοδομημένη επιφάνεια πυριτίου για οπτικούς αισθητήρες
Authors: Κόχυλας Ιωάννης 
Published: December 2023

Τόσο η φασματοσκοπία Raman όσο και η απεικόνιση μέσω φθορισμού θεωρούνται αξιόπιστες μέθοδοι για την αξιολόγηση της μοριακής δομής ουσιών, με ένα πολύ ευρύ φάσμα εφαρμογών. Τα τελευταία χρόνια, υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον ώστε αυτές οι δύο μέθοδοι να αναδειχτούν ως δυο μη επεμβατικές μέθοδοι για την ανίχνευση ουσιών βιολογικού ενδιαφέροντος σε μια πληθώρα βιοϊατρικών εφαρμογών. Ωστόσο, λόγω των ασθενών σημάτων που δίνουν αυτές οι δύο τεχνικές ανίχνευσης και των ιδιαίτερα χαμηλών συγκεντρώσεων των ουσιών, οι συμβατικές μέθοδοι είναι πολύ δύσκολο να εκπληρώσουν τις απαιτήσεις της σύγχρονης έρευνας. Η παρατήρηση της ενίσχυσης του σήματος με τη χρήση μεταλλικών νανοσωματιδίων και ιδιαίτερα ευγενών μετάλλων, με κύριους εκπροσώπους τον άργυρο και τον χρυσό αποτέλεσε το έναυσμα για την περαιτέρω ανάπτυξη των φασματοσκοπικών μεθόδων. Η ανακάλυψη της επιφανειακής ενίσχυσης σκέδασης Raman (Surface Enhanced Raman Spectroscopy-SERS) και της επιφανειακής ενίσχυσης φθορισμού (Sur-face Enhanced Fluorescence-SEF), εξυπηρέτησε την ανάγκη για υψηλά σήματα και ανίχνευση πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων ακόμα και ενός μόνο μορίου (single molecule detection). Παράλληλα με την ανακάλυψη των παραπάνω φαινομένων, ξεκίνησε μια σημαντική και συστηματική προσπάθεια για την κατασκευή κατάλληλων υποστρωμάτων με πληθώρα μεθόδων και δομών, ώστε να παρέχεται η δυνατότητα για πολύ μεγάλες ενισχύσεις του σήματος, σε συνδυασμό με την ανίχνευση πολύ χαμηλών συγκεντρώσεων με μεγάλη επαναληψιμότητα.Κύριος στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ευαίσθητων οπτικών βιοαισθητήρων για τον ανοσοχημικό προσδιορισμό καρκινικών δεικτών και τον άμεσο ή έμμεσο προσδιορισμό δεικτών οξειδωτικού στρες. Ο προσδιορισμός των παραπάνω δεικτών, στηρίζεται στην ενισχυμένη φασματοσκοπία SERS καθώς και στην ενίσχυση του φθορισμού μέσω της αλληλεπίδρασης με τα πλασμόνια που διεγείρονται σε μεταλλικές νανοδομές που γειτνιάζουν με τις υπό διερεύνηση ουσίες. Ο βασικός πυρήνας στη διερεύνηση αυτή είναι η κατασκευή και ανάπτυξη κατάλληλων ενεργών υποστρωμάτων νανοδομημένου πυριτίου/ αργύρου τα οποία δύναται να παρέχουν την πλασμονική ενίσχυση αυξάνοντας σημαντικά την ευαισθησία της ανίχνευσης σε σχέση με άλλες τεχνικές ανίχνευσης. Η μέθοδος ανάπτυξης των υποστρωμάτων βασίζεται στη χημική εγχάραξη πυριτίου υποβοηθούμενη από μέταλλο (Metal-Assisted Chemical Etching-MACE). Συγκεκριμένα τα υποστρώματα αυτά αποτελούνται από νανονήματα πυριτίου, όπου στην επιφάνειά τους έχουν αναπτυχθεί νανοσωματίδια αργύρου με τη μορφή συσσωματωμάτων ή δενδριτών. Τα ενεργά υποστρώματα αξιολογήθηκαν κατ’ αρχήν μέσω της ανίχνευσης πρότυπων ουσιών όπως η ροδαμίνη, crystal violet και τελικά για την ανίχνευση καρκινικών δεικτών και συγκεκριμένα τριών δεικτών που σχετίζονται με γυναικολογικούς καρκίνους και κυρίως τον καρκίνο των ωοθηκών, το καρκινικό αντιγόνο 125 (CA-125), η ανθρώπινη εκκριτική πρωτεΐνη 4 (HE4) της επιδιδυμίδας, και τη σουρβιβίνη ή BIRC5. Επιπλέον, τα ίδια υποστρώματα αξιολογήθηκαν για την ανίχνευση δεικτών οξειδωτικού στρες και συγκεκριμένα των ουσιών γλουταθειόνη (GSH) μαλονδιαλδεΰδη (MDA), καταλάση (CAT), ουρικό οξύ (UA), υπεροξειδική δισμουτάση (MnSOD) καθώς και για την ανίχνευση πρωτεϊνικών καρβονυλίων.Από τη μελέτη με την πρότυπη ουσία ροδαμίνη (R6G), παρατηρήθηκε ότι και τα δύο είδη ενεργών υποστρωμάτων που αναπτύχθηκαν παρουσιάζουν υψηλή ευαισθησία. Παρόλα αυτά τα συσσωματώματα αργύρου παρουσιάζουν χαμηλότερο όριο ανίχνευσης και αισθητά καλύτερη ομοιογένεια αποτελεσμάτων για ανίχνευση μέσω SERS παρά για ανίχνευση φωτοφωταύγειας. Συνεπώς, τα συγκεκριμένα υποστρώματα επιλέχθηκαν ως καταλληλότερα για την ανίχνευση βιομορίων μέσω πειραμάτων SERS. Πραγματοποιήθηκε ανίχνευση των παραπάνω δεικτών οξειδωτικού στρες σε ρυθμιστικά διαλύματα και τεχνητό σίελο. Ειδικά για την περίπτωση της GSH και MDA πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις και σε φυσικό σίελο. Αντίστοιχα για τους καρκινικούς δείκτες πραγματοποιήθηκε ανίχνευση σε ρυθμιστικό διάλυμα. Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων Raman, προέκυψε ότι οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν στις οι επιφάνειες με τα συσσωματώματα αργύρου παρουσιάζουν υψηλή ευαισθησία ανίχνευσης (Limit of Detection-LOD) και δυναμική περιοχή, που καλύπτει το φάσμα συγκεντρώσεων τόσο υγειών ατόμων όσο και ασθενών. Αντίστοιχη μελέτη με την πρότυπη ουσία R6G πραγματοποιήθηκε στα δυο είδη υποστρωμάτων για ανίχνευση μέσω φωτοφωταύγειας (Photoluminescence). Από τη μελέτη, πρόκυψε ότι τα υποστρώματα με τους δενδρίτες αργύρου είναι καταλληλότερα για πειράματα PL σε σχέση με τα υποστρώματα με τα συσσωματώματα αργύρου. Από τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στους καρκινικούς δείκτες και στους δείκτες οξειδωτικού στρες GSH, MDA, MnSOD και καρβοξύλια πρωτεϊνών, προέκυψε ότι για την περίπτωση των παραπάνω ουσιών τα υποστρώματα με τους δεν-δρίτες αργύρου προσφέρουν ικανοποιητική ευαισθησία και δυναμική που καλύπτει όλο το εύρος των συγκεντρώσεων για υγιείς και ασθενείς.Επομένως τα υποστρώματα που αναπτύχθηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή είναι κατάλληλα για την ανάπτυξη ευαίσθητων οπτικών βιοαισθητήρων για τον προσδιορισμό βιοδεικτών μέσω μετρήσεων Raman ή φωτοφωταύγειας.