Dr Agnieszka Michota-Kamińska. Instytut Chemii Fizycznej, Polska Akademia Nauk, Warszawa AUTOREFERAT

Transkrypt

1 Dr Agnieszka Michota-Kamińska Instytut Chemii Fizycznej, Polska Akademia Nauk, Warszawa AUTOREFERAT Modyfikowane nanostruktury plazmoniczne do analiz spektroskopowych wybranych związków i układów biologicznych istotnych w diagnostyce medycznej. Załącznik 2 DO WNIOSKU O PRZEPROWADZENIE POSTĘPOWANIA HABILITACYJNEGO Warszawa

2 Spis treści 1. DANE OSOBOWE OMÓWIENIE BADAŃ STANOWIĄCYCH PODSTAWĘ DOROBKU HABILITACYJNEGO Lista publikacji wybranych jako przedmiot habilitacji Wprowadzenie Cel naukowy prac wchodzących w skład rozprawy habilitacyjnej Prezentacja najważniejszych wyników Podsumowanie Przyszłe plany badawcze OMÓWIENIE POZOSTAŁYCH OSIĄGNIĘĆ NAUKOWO BADAWCZYCH Przebieg pracy naukowej Wykaz patentów i zgłoszeń patentowych Nagrody i wyróżnienia Podsumowanie dorobku naukowego DZIAŁALNOŚĆ DYDAKTYCZNA WSPÓŁPRACA KRAJOWA I MIĘDZYNARODOWA POPULARYZACJA NAUKI Organizowanie konferencji Udział w konferencjach krajowych i międzynarodowych PROJEKTY BADAWCZE Podziękowania 2

3 1. DANE OSOBOWE IMIĘ I NAZWISKO Agnieszka Michota-Kamińska WYKSZTAŁCENIE 1999 magister chemii, Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii, Pracownia Oddziaływań Międzymolekularnych, Praca magisterska pt. Badania spektroskopowe kompleksów donorowo-akceptorowych: Co(hemiporfirazyna) i Co(salofeny) z TCNQ 2004 doktor chemii, Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii, Pracownia Oddziaływań Międzymolekularnych, Praca doktorska pt. Wpływ oddziaływań międzymolekularnych na strukturę monowarstw dwufunkcyjnych tioli zaadsorbowanych na podłożach Ag i Au. PRZEBIEG PRACY ZAWODOWEJ doktorantka, Wydział Chemii, UW, Warszawa, Polska adiunkt, Wydział Chemii, UW, Warszawa, Polska post-doc, School of Chemical Science, Dublin City University, Irlandia adiunkt, Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie, Polska. 3

4 2. OMÓWIENIE BADAŃ STANOWIĄCYCH PODSTAWĘ DOROBKU HABILITACYJNEGO TYTUŁ OSIĄGNIĘCIA NAUKOWEGO Modyfikowane nanostruktury plazmoniczne do spektroskopowych analiz wybranych związków i układów biologicznych istotnych w diagnostyce medycznej Lista publikacji wybranych jako przedmiot habilitacji H1. A. Kamińska*, E. Witkowska, K. Winkler, I. Dzięcielewski, J. L. Weyher, J. Waluk Detection of Hepatitis B virus antigen from human blood: SERS immunoassay in a microfluidic system, Biosensors and Bioelectronics 66, (2015). IF=6.409, liczba cytowań: 1 Mój wkład w realizację tej pracy oceniam na 65%. Jestem autorem pomysłu wykorzystania techniki SERS do detekcji antygenów wirusa HPV, wykonałam pomiary spektroskopowe, opracowałam wyniki, napisałam manuskrypt, korespondowałam z edytorem, przygotowałam odpowiedzi dla recenzentów. H2. A. Kamińska*, A. A. Kowalska, D. Snigurenko, E. Guziewicz, J. Lewiński, J. Waluk, ZnO oxide films for ultrasensitive, rapid, and label-free detection of neopterin by surfaceenhanced Raman spectroscopy, Analyst 140, (2015). IF=4.107, liczba cytowań: 0 Mój wkład w realizację tej pracy oceniam na 75%. Jestem autorem pomysłu sprawdzenia możliwości analizy i detekcji immuno-markerów (takich jak neopteryna) techniką SERS, wykonałam pomiary spektroskopowe, opracowałam wyniki, napisałam manuskrypt, korespondowałam z edytorem, przygotowałam odpowiedzi dla recenzentów. H3. A. Kamińska*, E. Witkowska, A. Kowalska, A. Skoczyńska, I. Gawryszewska, E. Guziewicz, D. Snigurenko, J. Waluk, Highly efficient SERS-based detection of cerebrospinal fluid neopterin as a diagnostic marker of bacterial infection Anal. Bioanal. Chem., DOI /s , (2016). IF=3.436, liczba cytowań: 0 Mój wkład w realizację tej pracy oceniam na 65%. Jestem autorem pomysłu opracowania metody detekcji neopteryny w próbkach klinicznych z określoną infekcją bakteryjną, wykonałam pomiary spektroskopowe, opracowałam wyniki, napisałam manuskrypt, korespondowałam z edytorem, przygotowałam odpowiedzi dla recenzentów. 4

5 H4. A. Kamińska*, E. Witkowska, A. Kowalska, A. Skoczyńska, P. Ronkiewicz, T. Szymborski, J. Waluk Rapid detection and identification of bacterial meningitis pathogens in ex vivo clinical samples by SERS method and principal component analysis, Anal. Methods, DOI: /C6AY01018K,(2016). IF=1.821, liczba cytowań: 0 Mój wkład w realizację tej pracy oceniam na 70%. Jestem autorem pomysłu opracowania metody detekcji i identyfikacji bakterii powodujących infekcję bakteryjną analizowaną w pracy H3 pod kątem oznaczania neopteryny, wykonałam wszystkie pomiary spektroskopowe, opracowałam wyniki, napisałam manuskrypt, korespondowałam z edytorem, przygotowałam odpowiedzi dla recenzentów. H5. A. Kamińska*, A. Kowalska, E.Witkowska, P. Albrycht, J. Waluk, The ABO blood groups antigen-antibody interactions studied by SERS spectroscopy: towards the blood group typing, Analytical Methods 8, (2016). IF=1.821, liczba cytowań:0 Mój wkład w realizację tej pracy oceniam na 80%. Jestem współautorem pomysłu wykorzystania techniki SERS do badań oddziaływań antygen przeciwciało głównych grup krwi. Zaprojektowałam badania i wykonałam ich większość, opracowałam wyniki, napisałam manuskrypt, korespondowałam z edytorem, współuczestniczyłam w przygotowaniu odpowiedzi dla recenzentów. H6. A. Sivanesan, E. Witkowska, W. Adamkiewicz, Ł. Dziewit, A. Kamińska*, J. Waluk, Nanostructured Silver-Gold Bimetallic SERS Substrate for Selective Identification of Bacteria in Human Blood, Analyst 139, (2014). IF=4.107, liczba cytowań: 17 Mój wkład w realizację tej pracy oceniam na 50%. Jestem współautorem opracowanych nanostruktur metalicznych i opracowanej metody detekcji bakterii. Uczestniczyłam w pomiarach i analizach spektroskopowych oraz w pisaniu manuskryptu i odpowiedzi dla recenzentów. H7. T. Szymborski, E. Witkowska, W. Adamkiewicz, J. Waluk, A. Kamińska*, Electrospun polymer mat as a SERS platform for immobilization and detection of bacteria from fluids, Analyst, 139, (2014). IF= 4.107, liczba cytowań: 2 Mój wkład w realizację tej pracy oceniam na 70%. Jestem współautorem pomysłu opracowanych nanostruktur metalicznych, które zapewniają jednoczesne wzmocnienie sygnał u SERS, ale także filtrację i immobilizację komórek bakteryjnych z płynów. Wykonałam pomiary SERS, uczestniczyłam w analizie danych, pisaniu manuskryptu, korespondowałam z edytorem i przygotowałam odpowiedzi dla recenzentów. 5

6 H8. A. Kamińska, O. Inya-Agha, R. J. Forster and T. E. Keyes, Chemically bound gold nanoparticle arrays on silicon: assembly, properties and SERS study of protein interactions, Phys. Chem. Chem. Phys, 10, (2008). IF = 4.493, liczba cytowań: 40 Mój wkład w realizację tej pracy oceniam na 60%. Zaprojektowałam badania, wykonałam wszystkie eksperymenty, napisałam manuskrypt. Uczestniczyłam w przygotowaniu odpowiedzi dla recenzentów. H9. A. Kamińska, R. J. Forster and T. E. Keyes, The impact of adsorption of bovine pancreatic trypsin inhibitor on CTAB-protected gold nanoparticle arrays: a Raman spectroscopic comparison with solution denaturation, Journal of Raman Spectroscopy, 41, (2009). IF = 2.671; liczba cytowań: 4 Mój wkład w realizację tej pracy oceniam na 70%. Jestem autorem pomysłu badań, wykonałam wszystkie eksperymenty, napisałam manuskrypt. Uczestniczyłam w przygotowaniu odpowiedzi dla recenzentów. Podsumowanie cyklu publikacji wchodzących w skład rozprawy habilitacyjnej według Web of Science (Thomson Reuters) na dzień 21 kwietnia: Sumaryczny IF: Liczba cytowań : 64 Liczba cytowań bez autocytowań: Wprowadzenie Technika powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii Ramana (ang. surface enhanced Raman spectroscopy; SERS) w chwili obecnej jest dynamicznie rozwijającą się metodą coraz szerzej stosowaną w badaniach biomedycznych i analitycznych. Zjawisko SERS zostało zaobserwowane w 1974 roku przez Fleishamana 1 i polega na wzmocnieniu sygnału nieelastycznie rozproszonego światła dla molekuł znajdujących sie w pobliżu schropowaconej metalicznej powierzchni złota, srebra czy miedzi lub ich nanoczastek (chociaż lista metali, dla których zaobserwowano także wzmocnienie rozproszenia ramanowskiego jest znacznie bogatsza 2 ). Powstało tak wiele ujęć teoretycznych zjawiska SERS, że pojawiły się trudności z ich klasyfikacją. Do dziś nie istnieje jedna uniwersalna 1 M. Fleischmann, P. Hendra, A. McQuillan, Chem. Phys. Lett. 26, 163 (1974). 2 (a) H.Seki, J. Electron Spectrosc. 39, 289 (1983); (b) P. A. Lund, D. E. Tevault, R. R. Smardzewski, J. Phys. Chem. 88, 1731 (1984). 6

7 teoria tłumacząca wszystkie obserwowane efekty. Powszechnie jednak wśród badaczy panuje zgoda, że na efekt SERS składają się dwa zasadnicze mechanizmy wzmocnienia: elektromagnetyczny i efekt oddziaływań bliskiego zasięgu nazywany często efektem przeniesienia ładunku (ang. charge-transfer, (CT). Jedna z najczęściej stosowanych teorii do opisu mechanizmu elektromagnetycznego to teoria rezonansu plazmonów powierzchniowych (SPR, ang. surface plazmon resonance), która zakłada, że lokalne pola elektryczne wokół molekuł przy powierzchni metalu są wzmacniane w wyniku wzbudzenia zlokalizowanych powierzchniowych plazmonów, prowadząc do intensywnego rozpraszania ramanowskiego 3. Na molekułę, oświetloną promieniowaniem, znajdującą sie przy powierzchni metalu oddziałuje promieniowanie n-krotnie wzmocnione. Promieniowanie rozproszone ulega w obecności nanostruktur metalicznych dodatkowemu n -krotnemu wzmocnieniu a intensywność światła rozproszonego wzrasta n n 2 -krotnie. Do wytłumaczenia mechanizmu CT stosuje się co najmniej trzy zasadnicze podejścia: tunelowanie elektronu lub dziury pomiędzy metalem a molekułą w zjawisku indukowanego fotonem przeniesienia ładunku (ang. photon driven charge transfer, PDCT) z uwzględnieniem czynnika tzw. miejsc aktywnych (defekty w sieci krystalicznej na powierzchni metalu lub adatomy) 4, modulacje rezonansu plazmonowego przez przeniesienie ładunku 5 oraz najpowszechniej stosowany opis oparty na teorii Albrechta rezonansowego rozproszenia Ramana 6. W przypadku molekuł zaadsorbowanych chemicznie na podłożu metalicznym, możliwe są przejścia elektronowe typu CT (charge transfer) pomiędzy poziomem Fermiego metalu i poziomem LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) molekuły, bądź też pomiędzy HOMO (highest occupied molecular orbital) i poziomem Fermiego metalu. Gdy energia wzbudzającego promieniowania odpowiada energii tych przejść tj. jest z nimi w rezonansie, wówczas zgodnie z mechanizmem rezonansu (drugorzędowy czasowo-zależny rachunek zaburzeń), następuje wzmocnienie pasm ramanowskich. Zastosowanie tylko jednej teorii do opisu zjawiska SERS nie tłumaczy wszystkich obserwowanych eksperymentalnie efektów. Zdecydowanie lepszy opis omawianego zjawiska można uzyskać stosując kombinacje różnych modeli. W efekcie opisanych wyżej złożonych mechanizmów, w zjawisku SERS dochodzi do wzmocnienia 3 K. Kneipp, M. Moskovits, Surface-Enhanced Raman Scattering. Physics and Applications; Springer-Verlag: Berlin Heidelberg, D. Guzanosm D. I rish, G. Atkinson, Langmuir, 6, 1102 (1990). 5 J. Kirtley, S. Jha, T. Tsang, Solid State Commun. 35, 509, R. Aroca, Surface enhanced vibrational spectroscopy; Wiley, 2006; Part 4. Chemical Effects and the SERS Spectrum. 7

8 sygnału ramanowskiego rzędu , co daje możliwość obserwacji pojedynczych molekuł 7. Tak duża czułość detekcji w połączeniu z wysoką selektywnością otwiera przed spektroskopią SERS szeroki wachlarz aplikacji. Otrzymane w wyniku pomiaru SERS pasma oscylacyjne dają możliwość uzyskania informacji o strukturze badanego związku. W spektroskopii Ramana każdy związek daje charakterystyczne dla siebie widmo spektroskopowe (ang. fingerprint). Technika SERS jest przykładowo używana w badaniach nad inhibitorami korozji 8, polimerami 9, do detekcji i charakteryzacji barwników w obiektach archeologicznych i dziełach sztuki 10, w analizie śladowej np. do określania zanieczyszczeń wody 11, w medycynie sądowej czy w detekcji zagrożeń bioterrorystycznych 12. Coraz częściej jej potencjał jest wykorzystywany w badaniach medycznych i analitycznych i wydaje się, iż obecnie jest to jeden z dominujących obszarów aplikacyjnych techniki SERS. Przykładowo, analizie SERS poddawane są nukleotydy, elementy składowe kwasów nukleinowych a także neurotransmitery, fotosyntetyczne membrany i cytochromy, a nawet pojedyncze żywe komórki 13. Prowadzone są także pomiary glukozy in vivo i obserwacje oddziaływania leków z białkami 14. Wszystkie te badania, a szczególnie aplikacje biomedyczne muszą bazować na silnych i powtarzalnych sygnałach SERS. Chociaż wielkość sygnału SERS zależy od szeregu czynników takich jak właściwości elektryczne metalu, odległość molekuły od powierzchni i jej orientacja na powierzchni, częstość, natężenie i kąt padania promieniowania wzbudzającego 15 to morfologia powierzchni wzmacniającej tj. rozmiar i geometria ułożenia molekuł tworzących powierzchnię jest kluczowym parametrem decydującym o czułości i powtarzalności rejestrowanych widm. Rozwój nanotechnologii zaowocował w ostatnich latach tworzeniem różnorodnych powierzchni do pomiarów SERS. Podłoże SERS-owskie jest to struktura dowolnego typu, która podtrzymuje rezonans plazmonowy, dając przez to odpowiednie wzmocnienie sygnału ramanowskiego. Jak już zostało nadmienione, szeroko 7 [a] K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett., 76, 2444 (1996),; [b] S. Nie, S. R. Emory, Science, 275, 1102, (1997) [c] K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997). 8 W. H. Durnie, R. De Marco, A. Jefferson, B. J. Kinsella, Surf. Interface Anal., 35, 536 (2003). 9 F. J. Boerio, P. P Hong, H. W. Tsai, J. T Young., Surface and Interface Analysis 17(7):448 (1991). 10 V. A. Whitney, F. Casadio, R. P. Van Duyne, Appl Spectrosc.,61, 9 (2007). 11 M. Wang, B. De Vivo, W. Lu, M. Muniz-Miranda, Appl Spectrosc., 68, 784 (2014). 12 Rigaku Raman Technologies: 13 A. Downes A. Elfick, Sensors, 10,1 871 (2010). 14 S. Siddhanta, Ch. Narayana, Nanomater Nanotechnol., 2, 1 (2012). 15 S. B. Chaney, S Shanmukh, R. A Dluhy, Y. P Zhao, Applied Physics Letters, 87, (2005). 8

9 stosowanymi materiałami do produkcji podłóż są złoto, srebro i miedź z racji swoich właściwości optycznych. Podłoża SERS-owskie najogólniej można podzielić na: (i) nanocząstki metali rozmieszczone chaotycznie lub tworzące uporządkowane dwu- lub trójwymiarowe struktury i (ii) powierzchnie o odpowiedniej morfologii. Znanych jest wiele metod otrzymywania nanocząstek począwszy od kontrolowanej redukcje soli odpowiedniego metalu 16 (koloidy) poprzez elektroosadzanie z użyciem woltamperometrii cyklicznej 17, kontrolowaną samoorganizację nanoczastek na granicy faz ciecz-ciecz czy fragmentację indukowaną laserowo, które dające możliwość uzyskiwania nanocząstek (lub agregatów) o wymaganych wielkościach i kształtach. Lista technik wykorzystywanych do projektowania aktywnych SERS-owsko powierzchni jest również bogata. Wysoce uporządkowane struktury o wielkości rzędu kilku nanometrów można uzyskać techniką elektrolitografii 18 i DPN (dip-pen nanolithography) 19. Dobre wyniki daje naparowywanie nanostruktur metalicznych na podłoża o odpowiedniej morfologii uzyskane dzięki technikom CVD (ang. Chemical Vapor Deposition) chemicznego osadzania z fazy pary, w tym ALD (ang. Atomic Layer Deposition) osadzania warstw atomowych 20. Mimo dużej ilości używanych technik i możliwości jakie niesie rozwój nanotechnologii nadal jednak pozostaje problematyczne tworzenie powierzchni spełniających jednocześnie wszystkie wymagania stawiane podłożom do zastosowań biomedycznych, jak: wysoka czułość, powtarzalność i stabilność rejestrowanych sygnałów ramanowskich. Brak takich powierzchni ogranicza technikę SERS w zastosowaniach aplikacyjnych. W swojej pracy naukowej, już od kilku lat pracuję nad otrzymywaniem aktywnych SERS-owsko podłoży do analiz biomedycznych. Wyniki tych badań są przedmiotem co najmniej 25 publikacji, 10 patentów, w tym 6 międzynarodowych i 5 zgłoszeń patentowych. Obejmują one metody wytwarzania, analizy podłoży i ich aplikacyjnych zastosowań. Prezentują między innymi możliwości wykorzystania techniki SERS do detekcji mutacji genu BCR-ABL (na nowatorskich podłożach bazujących na GaN pokrytym złotem) odpowiedzialnych za występowanie przewlekłej białaczki 21, wybranych neurotransmiterów 16 R. Aroca, Surface enhanced vibrational spectroscopy; Part 4. Chemical Effects and the SERS Spectrum. Wiley, M. Siek, A. Kamińska, A. Kelm, T. Rolinski, R. Holyst, M. Opallo and J. Niedziolka-Jönsson, Electrochimica Acta, 89, 284 (2013). 18 B. Sharma R. R Frontiera, A. I Henry, E Ringe, R. P Van Duyne, Materials today, 15, 16 (2012). 19 M. Green, M. Garcia-Parajo, F. Khaleque, R. Murray, Appl. Phys. Lett., 62, 264 (1993). 20 A. Kamińska. A. A. Kowalska, D. Snigurenko, E. Guziewicz, J. Lewiński, J. Waluk, Analyst;140, 5090 (2015). 21 A. Kamińska, A. Sivanesan, E. Witkowska, J. Gołąb, M. Winiarska, D. Nowis, I. Dzięcielewski, J. L. Weyher and J. Waluk, J. Chem. Chem. Eng.,7, 972 (2013). 9

10 takich jak dopamina, cholina, epinefryna na specjalnie zaprojektowanych aktywnych podłożach z wykorzystaniem elektroosadzania nanocząstek Au metodą woltamperometrii cyklicznej 22. Wiele z tych prac powstało we współpracy ze środowiskiem biologów i lekarzy. W niniejszej rozprawie habilitacyjnej przedstawiam dziewięć oryginalnych publikacji. Prace te są ze sobą związane za sprawą aktywnych podłoży SERS-owskich wykorzystywanych do uzyskania przedstawionych w nich wyników, ale także ze względu na zastosowanie i/lub znaczenie w badaniach biomedycznych i analitycznych. Przedstawiony cykl publikacji jest poświęcony nanostrukturom metalicznym, które podtrzymując rezonans plazmonowy, dają silne sygnały SERS umożliwiając badania wybranych markerów i patogenów istotnych jednostek chorobowych. W moich badaniach starałam się pokazać kluczowe parametry do uzyskania dobrze funkcjonującego podłoża do badań molekularnych za pomocą powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii Ramana i jaki potencjał badawczy i aplikacyjny niesie ze sobą ta technika Cel naukowy prac wchodzących w skład rozprawy habilitacyjnej. Zasadniczym celem badawczym było zaprojektowanie i otrzymanie modyfikowanych nanostruktur metalicznych do analizy spektroskopowej (SERS): 1) patogenów wybranych, wirusów i bakterii, 2) markera infekcji bakteryjnych i chorób immunologicznych neopteryny, 3) antygenów głównych grup krwi typu ABO i ich przeciwciał. Ta analiza została podjęta by zrealizować specyficzne i bardziej szczegółowe cele badawcze dla każdego układu biologicznego analizowanego w ramach projektu, tj: opracowanie: - sensora (immuno-testu) do detekcji antygenów HBsAg wirusa HBV wywołującego przewlekłe zapalenie wątroby typu B, [H1], - metody bezpośredniej detekcji i analizy ilościowej neopteryny w płynach ustrojowych, w tym w próbkach klinicznych, [H2], [H3], [H4], - metody identyfikacji głównych grup krwi ABO, [H5] - metod detekcji bakterii z osocza krwi, moczu i płynu mózgowo-rdzeniowego, [H6], [H7] 22 M. Siek, A. Kamińska, A. Kelm, T. Rolinski, R. Holyst, M. Opallo and J. Niedziolka-Jönsson, Electrochimica Acta, 89, 284 (2013). 10

11 Powyższe cele mogły być zrealizowane dzięki zaprojektowaniu aktywnych SERS-owsko powierzchni dających powtarzalne i stabilne w czasie widma o dużym współczynniku wzmocnienia sygnału bazujących na: - nanocząstkach Au immobilizowanych na chemicznie modyfikowanym krzemie, [H8], [H9] - matach polimerowych pokrytych stopem Au/Ag, [H4 ],[H7], - nanostrukturach ZnO otrzymanych metodą osadzania warstw atomowych (ALD) pokrytych Au, [H1], [H3] Prezentacja najważniejszych wyników H1. A. Kamińska*, E. Witkowska, K. Winkler, I. Dzięcielewski, J. L. Weyher, J. Waluk Detection of Hepatitis B virus antigen from human blood: SERS immunoassay in a microfluidic system, Biosensors and Bioelectronics 66, (2015). Praca przedstawia immuno-test do detekcji antygenów HBsAg wirusa HBV wywołującego zapalenie wątroby typu B bazujący na zjawisku SERS. Wykorzystano w nim: (1) nowatorskie podłoża oparte na GaN pokrytym stopem Au-Ag (podłoża te są tematem trzech prac nie ujętych w cyklu habilitacyjnym 23,24, i trzech patentów międzynarodowych których jestem współautorem); (2) odpowiednio zaprojektowaną tzw. immuno sondę tj. Raman reporter bazujący na fuksynie, molekule, która daje silne sygnały SERS, a jej grupy funkcyjne mają możliwość wiązania przeciwciał i nanostruktur Au; (3) układ mikrofluidyczny z wbudowanych aktywnym SERS-owsko podłożem, w którym przebiegają reakcje immunologiczne i rejestracja sygnałów SERS. Rysunek 1 przedstawia ideowy schemat immuno-testu i kolejne etapy (reakcje) w nim przebiegające. 24 (a) J. L. Weyher, I. Dzięcielewski, A. Kamińska, G. Nowak, R. Hołyst, Applied Physics Letters,112, (2012); (b) A. Kamińska, J. L. Weyher; J. Waluk, S. Gawinkowski, R. Holyst, SERS Active Surface Based on Au-Coated Porous GaN, AIP Conference Proceedings, 1267, (2010). 11

12 Rysunek 1. Kolejne etapy immuno testu bazującego na zjawisku SERS. (A) przygotowanie aktywnego SERS-owsko podłoża (GaN pokryty Ag-Au) z warstwą tiolową 6-amino 1- heksanotiolu, do której przyłączone zostały przeciwciała wirusa HBV. (B) schemat tworzenia immuno sondy tj. nadstruktury Au, do których poprzez warstwę kwasu merkaptobursztynowego przyłączona została fuksyna (Raman reporter) i przeciwciała wirusa HBV. (D) schematyczna ilustracja układu mikrofluidycznego zintegrowanego z aktywnym podłożem SERS-owskim; DA-obszar detekcji sygnałów SERS (komora z wbudowanym podłożem GaN/Ag-Au). Opierając się na powyższym schemacie i zaplanowanych reakcjach wykazano możliwość detekcji antygenów HBsAg w osoczu i plaźmie ludzkiej krwi. Na podstawie opracowanych krzywych kalibracyjnych (zależność pomiędzy stężeniem antygenu w płynie ustrojowym a intensywnością pasma diagnostycznego fuksyny, rysunek 2) możliwe było oznaczenie ilościowe zawartości antygenów w badanych próbkach. Wyznaczony limit detekcji wynosił 0.01 IU/ml i jest niższy (lepszy) w porównaniu z limitami detekcji jakie oferują immuno-testy oparte na klasycznych technikach ELISA, mieszczącymi się w zakresie 12

13 od 0.03 do 0.65 IU/ml, co wskazuje na ogromy potencjał diagnostyczny zaproponowanego immunosers-testu. B A Rysunek. 2. (A)Widma SERS rejestrowane dla wzrastającego stężenia antygenu w surowicy krwi: (a) 0.0; (b) ; (c) ; (d) 0.125; (e) 0.625; (f) 2.5; (g) 12.0 and (h) 250 IU/mL. Każde z widm jest uśrednione z sześciu pomiarów. (B) Zależność między intensywnością pasma diagnostycznego o częstości 1178 cm -1 w funkcji stężenia antygenu w zakresie od 0 do 500 IU/Ml i od 0 do 60 IU/mL (insert). Dodatkowo w pracy przebadano wpływ aktywnego SERS-owsko podłoża bazującego na GaN/Ag-Au adoptując strategię opisanej metody na podłoża nieaktywne SERS-owsko (krzem modyfikowany 3-aminopropyl-3-metoksysilanem). Limit detekcji antygenów HBsAg na podłożach nieaktywnych był znacznie wyższy i wynosił IU/ml, co potwierdza zasadność stosowania opracowanych nanostruktur wzmacniających sygnał ramanowski, zarówno podłoża GaN/Ag-Au jak i nanostruktur Au związanych z Raman reporterem. Podłoża z azotku galu, były otrzymywane zgodnie z procedurą opisaną w artykule Highly reproducible, stable and multiply regenerated surface-enhanced Raman scattering for biomedical applications 25 we współpracy z Instytutem Wysokich Ciśnień PAN. Stosowano powłoki GaN (na szafirze), otrzymywane metodą MOCVD (ang. Metal 25 A. Kamińska, I. Dzięcielewski, J. L. Weyher, J. Waluk, S. Gawinkowski, V. Sashuk, M. Fiałkowski, M. Sawicka, T. Suski, S. Porowski, R. Hołyst, J. Mat. Chem., 21, 8662 (2011). 13

14 Organic Chemical Vapour Deposition czyli chemiczne osadzanie warstw na powierzchni, przy zastosowaniu związków metaloorganicznych będących w fazie gazowej), które następnie poddawano procesowi fototrawienia w roztworze wodnym KOH i K 2 S 2 O 8 a w ostatnim etapie napylano stopem Au-Ag (1:1), (rysunek 3 prezentuje morfologię uzyskanych struktur). Dobierając parametry fototrawienia i napylania opracowane zostały nanostruktury, które dawały najsilniejsze wzmocnienia sygnałów ramanowskich zarówno dla analitów testowych takich jak kwas p-merkaptobenzoesoewy jak i układów biologicznych takich jak krew i jej składniki, przeciwciała, antygeny. Analiza własności spektroskopowych uzyskanych nanostruktur obejmowała: (1) wyznaczanie współczynników wzmocnienia, (2) określenie powtarzalności rejestrowanych sygnałów (opracowano liczbową ocenę korelacji między widmami (seriami danych), która wykorzystuje współczynniki korelacji liniowej Pearsona, zastosowane do drugiej pochodnej funkcji reprezentującej widmo SERS, (3) określenie stabilności morfologicznej podłoży w czasie, co z kolei przekłada się na stabilność rejestrowanych widm. Należy podkreślić, że zoptymalizowane nanostruktury bazujące na GaN mają szczególnie wysoką powtarzalność rejestrowanych sygnałów, co jest jednym z najistotniejszych parametrów w ilościowych analizach, a gwarantuje je unikatowa właściwość omawianych podłoży. W procesie rozwinięcia warst GaN fototrawieniu nie ulegają jedynie GaN z dyslokacjami dając w efekcie wąsy GaN o precyzyjnie zdefiniowanej (w 99 %) średnicy, np.70 nm. Tak powtarzalna morfologia zapewnia wysoką powtarzalność rejestrowanych sygnałów. Wyliczony średni współczynnik korelacji Pearsona dla widm kwasu p-merkaptobenzoesoewego wynosi 0,92 a dla porównania dla podłoży SERS bazujących na koloidach Ag wynosi Rysunek 3. Obraz SEM aktywnego SERS-owsko podłoża bazującego na GaN/Ag-Au. 14

15 W pracy wykazano również immunologiczną specyficzność opracowanego testu, stosując do opisanego protokołu detekcji niespecyficzne antygeny w stosunku do badanych przeciwciał wirusa HBV. Ponadto, przebadano powtarzalność zaproponowanej metody detekcji antygenów HBsAg i obliczono, że średnie odchylenie standardowe opracowanej metody wynosi mniej niż 10 %, co jest porównywalne z wynikiem uzyskiwanym dla konwencjonalnych metod typu ELISA. Podsumowując, przedstawione w pracy H1 badania rozwiązały wiele problemów związanych ze stosowanymi do tej pory immuno-testami 26 bazującymi głównie na strategii z użyciem tzw. zewnętrznych Raman reporterów gdzie immuno- sondę stanowiły nanostruktury metaliczne, na których współadsorbowano przeciwciała i molekuły Raman reprtera. Zastosowana w opisywanej pracy metodologia przyczyniła się do rozwiązania dotychczasowych problemów związanych z niespecyficzną adsorpcją przeciwciał na nanostrukturach, co przekłada się na możliwość rozwoju multipleksowych oznaczeń przeciwiał/antygenów, a także ograniczyła problemy z agregacją nanastruktur i podniosła czułość immuno-sond. Dodatkowo, połączenie techniki SERS z mikrofluidyką pozwoliło na precyzyjne dostarczenie odpowiednich analitów o określonych stężeniach, kontrolę poszczególnych reakcji i, co najbardziej istotne, dało możliwość rejestracji sygnałów SERS z jednego punktu na podłożu co ograniczyło fluktuacje sygnałów SERS wynikające z niepowtarzalności morfologicznej podłoża wzmacniającego sygnał. H2. A. Kamińska*, A. A. Kowalska, D. Snigurenko, E. Guziewicz, J. Lewiński, J. Waluk, ZnO oxide films for ultrasensitive, rapid, and label-free detection of neopterin by surfaceenhanced Raman spectroscopy Analyst 140, (2015). Przedstawione w pracy H1 aktywne SERS-owsko podłoża bazujące na warstwach GaN wykazują wszystkie cechy spektralne niezbędne do analiz ramanowskich, tak jakościowych i ilościowych, zarówno standardowych analitów jak i złożonych układów biologicznych. Dużym ograniczeniem ich szerokiego potencjalnego zastosowania w analizach medycznych jest koszt ich wytwarzania (warstwy GaN na SiC o odpowiedniej gęstości dyslokacji zapewnia tylko Instytut Fraunhofera w Niemczech), dlatego też poszukuje się nanostruktur, 26 (a) C. Y. Song, Z. Y. Wang, R. H., Zhang, J. Yang, X. B Tan, Y. P. Cui, Biosens. Bioelectron., 25, 826 (2009). (b) K. J. Yoon, H. K. Seo, H. Hwang, D. J. Pyo, I. Y. Eom, J. H. Hahn, Y. M. Jung, Bull. Korean Chem. Soc., 31, 1215 (2010). 15

16 zapewniających rezonans plazmonowy i silne wzmocnienia sygnałów ramanowskich, możliwych do uzyskania powszechnymi i/lub tańszymi procedurami i metodami. W pracy H2 przedstawiłam aktywne SERS-owsko podłoża bazujące na warstwach ZnO na krzemie otrzymanych metodą ALD osadzania warstw atomowych i napylonych złotem techniką rozpylania magnetronowego. Tlenek cynku jako półprzewodnik: (1) cechuje się wysokim współczynnikiem załamania światła 27, który jako optyczna właściwość metalu wpływająca na mechanizm elektromagnetyczny, zwiększa wzmocnienie sygnału rozproszenia; (2) zwiększa transfer ładunku między metalem a analitem, potęgując tym samym efekt wzmocnienia 28 ; (3) posiada właściwości fotokatalityczne, które pozwalają przy pomocy promieniowania UV zdegradować analit i w efekcie wyczyścić podłoże, a następnie wykorzystać je ponownie do pomiarów 29. Dostępna literatura zawiera zaledwie kilka doniesień o podłożach wykorzystujących ZnO do wytwarzania podłoży SERS a ich aktywność SERS-owska została wykazana jedynie dla podstawowych analitów takich jak barwnik rodamina 6G 30. Wykorzystując wspomnianą wyżej metodę ALD, w omawianej pracy, tlenek cynku na płytkach krzemowych otrzymano w reakcji podwójnej wymiany: Zn(C 2 H 5 ) 2 + H 2 O ZnO + 2 C 2 H 6 Właściwości spektralne podłoży Si/ZnO/Au optymalizowano poprzez dobór odpowiednich parametrów prowadzenia procesu ALD, tj. temperatury, grubości warstwy ZnO (liczba cykli ALD) oraz grubości napylanej warstwy Au. Rysunek 4 prezentuje obraz SEM uzyskanych struktur przy zastosowaniu cykli ALD (1.4 µm) i napyleniu około 60 nm Au. Uzyskane nanostrukury są również przedmiotem zgłoszenia patentowego, którego jestem współautorem: A method for preparing a platform for testing of chemicals via surfaceenhanced Raman spectroscopy (SERS) and platform obtained by this metod, 2013, P H. Qi, D. Alexon, O. Glembocki, S. Prokes, Nanotechnology, 21, (2010). 28 L. Yang, W. Ruan, X. Jiang, J. R. Lombardi, J. Phys. Chem. C, 113, 117 (2009) 29 G. Sinha, L. E. Depero, I. Alessandri, Applied Materials and Interfaces, 3, 2557 (2011). 30 (a) L. M. Chen, L. B. Luo, Z. H. Chen, M. L. Zhang, J. A. Zapien, C. S. Lee and S. T. Lee, J. Phys. Chem. C, 114, 93 (2010); (b) L. Sun, D. Zhao, Z. Zhang, B. Li, D. Shen, Journal of Material Chemistry, 21, 9674 (2011); (c) A. E. Kandjani, M. Mohammadtaheri, A. Thakkar, S. K. Bhargava, V. Bansal, J. Colloid. and Interface Science, 436, 251 (2014). 16

17 Rysunek 4. Zdjęcia SEM struktury podłoży Si/ZnO/Au zarejestrowane przy różnych powiększeniach. Stosowano następujące warunki procesu ALD: temperatura 100ºC, czas przedmuchiwania gazem obojętnym 2s, ilość cykli i parametry napylania warstwy Au: grubość napylonego Au - 60nm). Przeprowadzono analizę uzyskanych podłoży pod kątem spełniania podstawowych wymagań stawianych podłożom do analiz spektroskopowych, takich jak czułość, stabilność oraz powtarzalność rejestrowanych sygnałów. Obliczono współczynniki wzmocnienia dla warstw ZnO o różnej grubości przy stałej grubości warstwy napylanego Au i zebrano w Tabeli 1. Grubość warstwy ZnO Chropowatość (ang. root mean square (RMS) roughness), RMS/nm Współczynnik wzmocnienia (ang. EF/) 630 nm x m x m x 10 7 Tabela 1. Współczynniki wzmocnienia obliczone dla kwasu p-merkaptobenzoesowego zaadsorbowanego z wodnych roztworów na podłożach Si/ZnO/ Au o różnych grubościach warst ZnO przy ustalonej grubości warstwy Au (60 nm). Najwyższy współczynnik wzmocnienia, EF= uzyskano dla warstwy ZnO o grubości 1.4 m i te podłoża były wykorzystywane do dalszych badań. Analizę powtarzalności rejestrowanych sygnałów badanego kwasu p-mba przeprowadzono zarówno w obrębie jednego podłoża, jak i pomiędzy różnymi podłożami otrzymanymi w niezależnych

18 procedurach (rysunek 5A). Wykazano również wysoką stabilność uzyskanych nanostruktur metalicznych w czasie. Stabilność podłoża SERS określa zakres jej praktycznego zastosowania w analizie chemicznej i biologicznej. Jak przedstawiono na rysunku 5B intensywność wybranego pasma o częstości 1079 cm -1 maleje jedynie o około 3% w przypadku podłoża przechowanego przez trzy miesiące w warunkach atmosferycznych. Tak wysoka czułość, stabilność i powtarzalność opracowanych podłoży umożliwia prowadzenie ilościowych badań SERS licznych biomolekuł i zwiększa zastosowalność w realnych badaniach analitycznych i biomedycznych. A B Rysunek 5. (A) Widma SERS p-mba wykonane w losowo wybranych miejscach na podłożu Si/ZnO/Au; (B) Widmo SERS p-mba wykonane na świeżo przygotowanym podłożu Si/ZnO/Au (niebieski spektrogram) oraz na podłożu, którego powierzchnia wystawiona była na działanie powietrza przez 3 miesiące (czarny spektrogram). Wykorzystując opracowane nanostruktury, po raz pierwszy pokazałam możliwość zastosowania techniki SERS do detekcji neopteryny w roztworach buforowych i w osoczu krwi ludzkiej. Neopteryna to pirazolopirymidyna syntetyzowana z trójfosforanu guanozyny w ludzkich monocytach i makrofagach po stymulacji przez interferon gamma (IFN- ) - pochodzący z aktywowanych antygenem limfocytów T 31. Jest ona utworzona przez GTP cyklohydrolazę I, 31 C. Huber, J. R. Batchelor, D. Fuchs, A. Hausen, A. Lang, D. Niederwieser, Journal of Experimental Medicine, 160, 310 (1984). 18

19 która przekształca się w 7,8-GTP trójfosforan dwuhydroneopteryny, który w następnym etapie jest metabolizowany do neopteryny. Podwyższony poziom neopteryny wskazuje na zmieniony stan aktywacji komórek układu odpornościowego i świadczy o różnych chorobach, takich jak choroby autoimmunologiczne i infekcje wirusowe 32 (wirus zapalenia wątroby typu A, B i C, cytomegalia, odra, różyczka, grypa), zakażenia bakteryjne 33, choroby układu sercowo-naczyniowego 34. Może wskazywać także na odrzucenie przeszczepu i niektóre nowotwory 35. Wyższe poziomy neopteryny obserwowano również w schorzeniach związanych z reumatoidalnym zapaleniem stawów 36 czy zaburzeniach neuropsychiatrycznych 37. Do tej pory opracowano kilka procedur analitycznych do wyznaczania poziomu neopteryny w płynach fizjologicznych wykorzystujących głównie wysokociśnieniową chromatografię cieczową (HPLC) 38 i testy immunoenzymatyczne (ELISA) 39. Jednak obie te metody są czasochłonne i kosztowne; wymagają one również skomplikowanych urządzeń technicznych i wysoko wykwalifikowanych pracowników. Rysunek 6 przedstawia normalne widmo Ramana (wstawka) i widma SERS neopteryny zaadsorbowanej na podłożu Si/ZnO/Au z roztworów buforowych o różnych stężeniach. 32 (a) G. Werner-Felmayer, et al., Cancer Res., 50, 2863 (1990; (b) D. Fuchs, et al., Immunol Today, 9, 150 (1988); (c) D. Fuchs, et al., Crit Rev Clin Lab Sci., 29, 307 (1992); (d) C. S. Dukes, et al., J. Leuk. Biol., 56, 650 (1994). 33 J. Frick, W. Aulitzky, D. Fuchs, A. Hausen, H. Joos, G. Reibnegger, H. D. Wachter, Lung, 162, 337 (1984). 34 X. Garcia-Moll, D. Cole, E. Zouridakis, J. Kaski, Heart, 83, 346 (2000). 35 C. Murr, A. Bergant, M. Widschwendter, K, Heim, H. Schröcksnadel, D.C. Fuchs, et al., Clinical Chemistry, 45, 1998 (1999). 36 W. Kullich, Clin. Rheumatol., 12, 387 (1993). 37 S. Zeuzem, S. V. Feinman, J. Rasenack, E.J. Heathcote, M. Y. Lai, E. Gane, J. O'Grady, J. Reichen, M. Diago, A. Lin, J. Hoffman, M. J. Brunda, N. Engl. J. Med., 343, 1666 (2000). 38 E. R. Werner, A. Bichler, G. Daxenbichler, Clinical Chemistry, 33, 62 (1987). 39 M. Barak, D. Merzbach, N. M. Gruener, Scand. J. Clin. Lab. Invest., 50, 705 (1990). 19

20 Rysunek 6. Widma SERS zarejestrowane dla neopteryny zaadsorbowanej na podłożach Si/ZnO/Au z roztworów buforowych o stężeniach: (a) 3.0; (b) 5.0; (c) 7.0; (d) 10.0; (e) 20.0; (f) 45.0; and (g) nmol/l. Insert przedstawia normalne widmo Ramana neopteryny w postaci proszku. Bazując na wykonanej analizie spektroskopowej zarejestrowanych widm neopteryny, wybrano najsilniejsze pasmo diagnostyczne (w obszarze pozbawionym silnych pasm od składników osocza krwi) i wykorzystano je do opracowania krzywej kalibracyjnej, na podstawie której wyznaczono limit detekcji neopteryny w osoczu. Przy czym należy podkreślić, iż na tym etapie badań neopteryna była sztucznie dodawana do osocza krwi. Dodatkowo te same próbki były analizowane pod kątem stężenia neopteryny z wykorzystaniem komercyjnych testów ELISA. 20

21 A B Rysunek 7. (A) Widmo SERS plazmy krwi (a) i widma SERS plazmy krwi zarejestrowane dla wzrastającego stężenia neopteryny: (b) 5.0; (c) 7.0; (d) 10.0; (e) 50.0, i (f) nmol/l. (B) Zależność stosunku intensywności pasm 695/1005 cm -1 od stężenia neopteryny w plaźmie krwi w zakresach stężeń 0 to 250 nmol/l i 0 to 30 nmol/l (wstawka). W pracy wyznaczono limit detekcji neopterinu w osoczu krwi ludzkiej wynoszący 1.4 nmol/l, co odzwierciedla kliniczne limity detekcji określone technikami ELISA i mieszczące się w zakresie 0.7 do 2.2 nmol/l. Uzyskane wyniki wskazują na potencjał techniki SERS w detekcji neopteryny w złożonych płynach ustrojowych oraz na możliwość rozwoju nowej metody monitorowania chorób, związanych szczególnie z zaburzeniami układu immunologicznego oraz infekcjami bakteryjnymi. H3. A. Kamińska*, E. Witkowska, A. Kowalska, A. Skoczyńska, I. Gawryszewska, E. Guziewicz, D. Snigurenko, J. Waluk, Highly efficient SERS-based detection of cerebrospinal fluid neopterin as a diagnostic immune-marker of bacterial meningitidis, Anal. Bioanal. Chem., DOI /s , (2016). W pracy przedstawiono kontynuację badań neopteryny w próbkach klinicznych płynu mózgowo-rdzeniowego pochodzących od pacjentów, u których zdiagnozowano zapalenie opon mózgowych wywołane przez bakterie Neisseria meningitidis i zdrowych pacjentów (nie zakażonych tymi bakteriami). Badania prowadzono we współpracy z Narodowym Instytutem Leków w Warszawie. W badaniach wykorzystano opisane w poprzednim artykule podłoża SERS-owskie bazujące na warstwach ZnO, ale także nowatorskie nanostruktury oparte na komercyjnych matach polimerowych pokrytych złotem. 21

22 W pracy po raz pierwszy przeprowadzono analizę spektroskopową płynu mózgowo-rdzeniowego zdrowych pacjentów i z infekcją bakteryjną, również pod kątem analizy pasm pochodzących od neopteryny (rysunek 8). A) B) Rysunek 8. (A) Porównanie widm SERS płynu mózgowo-rdzeniowego pochodzącego od zdrowych pacjentów (b) i zakażonych bakteriami Neisseria meningitidis (a). Wstawka przedstawia widmo SERS neopteryny zaadsorbowanej na podłożu Si/ZnO/Au z 35.0 nmol/l roztworu buforowego. Graficzna prezentacja zależności między: (B) pierwszą główną składową PC1 (83 % całkowitych zmian) a drugą składową PC2 (9 % całkowitych zmian) i (C) pierwszą główną składową PC1 (83 % całkowitych zmian) do trzeciej głównej składowej PC3 (4 %). (D) zależność wartości głównych składowych PC (wagi) od zmiennych (liczb falowych ). Do analizy uzyskanych danych spektralnych (widma mają dużo pasm, a pasma diagnostyczne dla neopteryny w tak złożonych układach biologicznych nie są silne i mogą być trudne do analizy empirycznej) wykorzystano numeryczne metody chemometryczne 22

23 bazujące między innymi na analizie głównych składowych (PCA). Uzyskane zależności pomiędzy wartościami głównych składowych PC (wagi) od zmiennych (liczb falowych ) obrazują wkład poszczególnych zmiennych w rozróżnieniu analizowanego zbioru danych (rysunek 8C). Wykazano, że najważniejsze pasmo diagnostyczne w analizowanym zbiorze próbek płynu mózgowo-rdzeniowego to pasmo o częstości 695 cm -1 charakterystyczne dla neopteryny, co zgadza się z analizą empiryczną i może posłużyć do rozróżnienia próbek kontrolnych (od zdrowych pacjentów) od próbek zainfekowanych z 98% specyficznością i 95% czułością. Wykorzystując wiedzę i doświadczenie, zdobyte przy ilościowym wyznaczaniu neopteryny podczas badań opisanych w poprzedniej publikacji, wyznaczono limity detekcji neopteryny w płynie mózgowo-rdzeniowym pacjentów zdrowych i z infekcją bakteryjną (Tabela 2). nmol/l SERS (nowa metoda) ELISA (metoda referencyjna) Próbka kontrolna Próbka z Neisseria meningitidis Tabela 2. Stężenia neopteryny w płynie mózgowo-rdzeniowym wyznaczone metodą analizy SERS i klasycznymi testami ELISA. Wyniki te jasno wskazują, że neopteryna może być używana jako marker w diagnostyce meningokokowego zapalenia opon mózgowych i w przyszłości posłużyć do monitorowania tego zakażenia. Ponadto, w omawianej pracy wykazano, że oprócz analizy ilościowej neopteryny w płynie mózgowo-rdzeniowym możliwa jest również detekcja i identyfikacja bakterii Neisseria meningitidis. Zaprojektowane podłoża spełniają istotne cechy, bez których do tej pory identyfikacja bakterii w złożonych układach biologicznych była bardzo trudna lub wręcz niemożliwa. Podłoża te nie tylko wzmacniają sygnał ramanowski bakterii ale służą jednocześnie do filtracji bakterii ze złożonych układów biologicznych i ich zagęszczenia (immobilizacji) na małym obszarze podłoża, co znacznie ułatwia rejestracje widm SERS. 23

24 H4. A. Kamińska*, A. Kowalska, E. Witkowska, A. Skoczyńska, P. Ronkiewicz, T. Szymborski, J. Waluk, Rapid detection and identification of bacterial meningitis pathogens in ex vivo clinical samples by SERS method and principal component analysis. Anal. Methods, DOI: /C6AY01018K,(2016). Meningokokowe zapalenie opon mózgowych może być wywołane nie tylko przez bakterie z rodzaju Neisseria meningitidis (opisane w pracy H3) ale także przez Haemophilus influenzae i Streptococcus pneumoniae. Są to trzy podstawowe i najczęstsze gatunki bakterii wywołujące tę infekcję 40. Kontynuując badania opisane w pracy H3, do detekcji tych bakterii opracowano i zoptymalizowano nanostruktury wzmacniające sygnały SERS, bazujące na membranach z poliwęglanu o dwóch rozmiarach porów (0.3 µm i 3.0 µm) dobranych pod kątem wielkości analizowanych komórek bakteryjnych. Membrany po napyleniu stopem Au-Ag (1:1) umieszczone zostały w holderach filtrów strzykawkowych, połączone ze strzykawką z której badany analit dozowany był za pomocą pompy (rysunek 9). A) Zestaw to filtracji płynu mózgowo-rdzeniowego. B) membrana z poliwęglanu napylona Au-Ag (podłoże SERSowskie) Rysunek 9. (A) Zdjęcie zestawu do filtracji klinicznych próbek płynu mózgowo-rdzeniowego i (B) obraz SEM zastosowanego podłoża SERS. W prezentowanej pracy, po raz pierwszy pokazano możliwość detekcji Neisseria meningitidis Haemophilus influenzae i Streptococcus pneumoniae z płynu mózgowordzeniowego bezpośrednio, bez użycia znaczników. Przeprowadzono analizę SERS tych trzech gatunków bakterii i przypisano pasma odpowiednim drganiom. Widma SERS bakterii uzyskane z próbek klinicznych prezentuje rysunek 10A. 40 C. E. Corless, M. Guiver, R. Borrow, V. Edwards-Jones, A. J. Fox, E. B. Kaczmarski, J. Clin. Microbiol., (2001). 24

25 A B Rysunek 10. (A) Widma SERS próbki kontrolnej płynu mózgowo-rdzeniowego (a) i próbek zakażonych odpowiednio bakteriami: (b) S. pneumoniae; (c) N. meningitidis i (d) H. influenzae uzyskane według metody opisanej powyżej (rysunek 9). (B) Graficzna prezentacja wyników analizy PCA ilustrująca porównanie pomiędzy próbkami kontrolnymi i zakażonymi. W pracy wykazano, że połączenie techniki SERS z metodami chemometrycznymi (analiza głównych składowych; ang. PCA) daje możliwość rozwijania algorytmów diagnostycznych mających na celu poprawę: (i) rozróżnienia testowanych bakterii oraz (ii) zróżnicowania między próbkami kontrolnymi i zakażonymi bakteriami. Wyniki uzyskane z analizy PCA są graficznie zaprezentowane na rysunku 10B i pokazują wyraźne skupiska punktów odpowiadające próbkom kontrolnym i zakażonym, w obrębie których możliwe jest dodatkowo rozróżnienie pomiędzy poszczególnymi gatunkami bakterii. W omawianej pracy przeanalizowałam stężenie neopteryny w próbkach płynu mózgowo-rdzeniowego zdrowych pacjentów i zakażonych trzema badanymi bakteriami.. Bazując na metodzie detekcji neopteryny opisanej w pracy H3 wyznaczono jej stężenia i porównano z metodą referencyjną (tabela 3).Wszystkie próbki były dodatkowo analizowane niezależnie testami ELISA w celu wyznaczenia zawartości neopteryny i porównania uzyskanych wyników z wynikami otrzymanymi metodą SERS. Wykazano, że jednoznacznie na podstawie poziomu neopteryny w płynie mózgowordzeniowym można odróżnić próbki pacjentów zdrowych od zakażonych bakteriami, natomiast trudno na podstawie wyznaczonego stężenia neopteryny odróżnić od siebie poszczególne gatunki bakterii. 25

26 nmol/l SERS ELISA (nowa metoda) (metoda referencyjna) Kontrolna próbka Próbka z N. meningitidis Próbka z S. pneumoniae Próbka z H. influenzae Tabela 3. Stężenia neopteryny w płynie mózgowo-rdzeniowym pacjentów zainfekowanych trzema bakteriami N. meningitidis, S. pneumoniae, H. influenzae i zdrowych, wyznaczone metodą analizy SERS i klasycznymi testami ELISA (metoda referencyjna). H5. A. Kamińska*, A. Kowalska, E. Witkowska, P. Albrycht, J. Waluk, The ABO blood groups antigen-antibody interactions studied by SERS spectroscopy: towards the blood group typing, Analytical Methods, 2016 W omawianej pracy wykazałam możliwość wykorzystania techniki SERS do bezpośredniej analizy oddziaływań antygen-przeciwciało. Oddziaływania tego typu i możliwość ich detekcji, ale przy użyciu znaczników tzw. Raman reporterów zaprezentowałam w pracy H1. Wówczas, przy detekcji antygenów wirusa HBV w stężeniach nanomolowych, zastosowanie znacznika było zasadne ponieważ znacząco zwiększyło czułość analizy. Zasadniczym celem postawionym w tej pracy było zrozumienie istoty oddziaływań pomiędzy antygenami głównych grup krwi AB0 a ich przeciwciałami znajdującymi się w surowicy krwi. Dlatego też kwestia wysokiej czułości detekcji nie była w tych badaniach kluczowa i zastosowano technikę bezpośredniej analizy SERS. Należy podkreślić, że obecnie metody wykorzystywane do badania swoistych oddziaływań antygen-przeciwciało grup krwi bazują głównie na technikach immunochemicznych, które polegają na obserwacji procesów aglutynacji i posiadają swoje ograniczenia dotyczące tak istotnych parametrów jak czułość i selektywność oznaczenia. Z przeglądu literatury wynika również, że omawiana praca jest jak dotąd pierwszą pracą, która pokazuje wykorzystanie spektroskopii SERS do badań oddziaływań antygenów głównych grup krwi AB0 a ich przeciwciałami i drugą pracą naukową, która podejmuje ten trudny a zarazem niezwykle interesujący temat badań w aspekcie identyfikacji grup krwi. Badania prowadzono na zoptymalizowanych strukturach plazmonicznych, będących tematem zgłoszenia patentowego: The method of uniform coating of the silver surface by 26

27 electrochemically roughened gold layer with a highly developed surface and the platform for measuring the surface-enhanced Raman effect 2013, P , E. Witkowska, S. Arumugam, A. Kamińska, W. Adamkiewicz, J. Waluk. Własności spektroskopowe tych hybrydowych podłoży (Ag-Au) przeanalizowałam pod kątem wzmocnienia sygnału ramanowskiego (wyznaczono współczynniki wzmocnienia), stabilności i powtarzalności rejestrowanych sygnałów i będę jeszcze omawiać w kolejnej pracy w prezentowanym cyklu prac habilitacyjnych. Ich morfologię prezentuje rysunek 11B. W pracy wykazano wpływ czasu trwania aglutynacji, ph i siły jonowej użytych roztworów do ustalenia optymalnych warunków do tworzenia się określonych kompleksów pomiędzy antygenami głównych grup krwi i ich przeciwciałami z surowicy krwi. Siła aglutynacji (tworzenia kompleksów antygen przeciwciało) zależy między innymi od aktywności przeciwciał, co wykazano opracowując procedurę przygotowania mieszaniny krwinek czerwonych o znanych: antygenie i przeciwciałach A lub B z surowicy krwi. Wykonano serie odpowiednich rozcieńczeń przeciwciał A i B (1:8, 1:256, 1:512 i 1:1024), które mieszano z krwinkami czerwonymi w stosunku 1:1. Na podstawie analizy spektroskopowej wybrano najbardziej optymalne rozcieńczenia przeciwciał A i B, które wskazywały jednoznacznie na tworzenie się kompleksu antygen-przeciwciało. Rysunek 11A przedstawia przykład widm sersowskich kompleksów krwinek czerwonych o znanym antygenie (grupa krwi B) z przeciwciałem anty B. Najbardziej dominujące pasma pochodzące od drgań kompleksu antygen-przeciwciało zaznaczono gwiazdkami na rysunku 11A (rozcieńczenie 1:256, które stosowano do dalszych analiz). Wnioski wysunięto na podstawie dokonanej analizy spektroskopowej i porównań widm erytrocytów, przeciwciał i ich mieszanin. Wykazano też, iż nawet bez zauważalnego naocznie procesu aglutynacji, proponowana w niniejszej pracy metoda badań, w oparciu o technikę SERS, może dostarczyć informacji o tworzących się kompleksach antygen-przeciwciało. 27

28 A) B) Rysunek 11. (A) Widma SERS erytrocytów krwi grupy B z przeciwciałami antyb o różnym stężeniu przeciwciał (roztwory erytrocytów i przeciwciał zmieszano w stosunku 1:1). (B) Obrazy SEM, przy różnych powiększeniach, hybrydowych podłoży Ag-Au stosowanych w badaniach. Ponadto, w pracy wykazano że analiza danych spektroskopowych z wykorzystaniem metod numerycznych, pozwala na określenie pasm diagnostycznych i jednoznaczne rozróżnienie, a w dalszym etapie klasyfikowanie i kategoryzowanie widm ramanowskich. Ostatecznie pokazano możliwość wykorzystania spektroskopii SERS do identyfikacji głównych grup krwi. Rysunek 12A przedstawia graficzne wyniki uzyskane z analizy głównych składowych ilustrujące rozróżnienie punków (widm) należących do czterech grup krwi z dokładnością 96%. Tak precyzyjne rozróżnienie możliwe było dzięki odpowiedniej optymalizacji podłoży wzmacniających, która gwarantowało wysoką powtarzalność rejestrowanych sygnałów ramanowskich, co prezentuje rysunek 12B. Przeprowadzono również walidację opracowanego modelu PCA wprowadzając dodatkową zewnętrzną próbkę o znanej grupie krwi, która po numerycznej analizie została prawidłowo przypisana do odpowiedniego klasteru punktów, pokazując potencjał aplikacyjny zaproponowanych badań. 28

29 Intensywność Raman Intensity / a.u. Współczynniki korelacji Agnieszka Michota-Kamińska, Wniosek habilitacyjny A) B) A A przeciwciało B przeciwciało O B C) Przesunięcie Raman ramanowskie Shift / cm -1 (cm -1 ) Rysunek 12. (A) Graficzna prezentacja zależności pomiędzy wynikami PC-1 i PC-2 uzyskanymi z analizy PCA zespołu danych zawierających widma przeciwciała A- zmieszanego z erytrocytami czterech głównych grup krwi układu AB0 (próbki krwi pochodziły od 4 pacjentów a do analizy użyto 80 widm SERS). (B) Współczynniki korelacji (liczone na podstawie średnich współczynników korelacji Pearsona) widm SERS czterech grup krwi A, 0, AB, B z przeciwciałami A i B (w proporcjach i stężeniach zgodnych z opracowaną w pracy procedurą). (C) Przykładowe widma erytrocytów uzyskanych z krwi o grupie B rejestrowane z 20 różnych punków na tym samym podłożu wzmacniającym. H6. A. Sivanesan, E. Witkowska, W. Adamkiewicz, Ł. Dziewit, A. Kamińska*, J. Waluk, Nanostructured Silver-Gold Bimetallic SERS Substrate for Selective Identification of Bacteria in Human Blood, Analyst 139, (2014). Hybrydowe nanostruktury Ag-Au użyte do analiz przedstawionych w pracy H5 były modyfikowane antybiotykami i zastosowane do detekcji bakterii z krwi z wykorzystaniem techniki SERS. Podłoża modyfikowano wankomycyną, która działa bakteriobójczo na większość bakterii Gram-dodatnich i ceftazydymem, szczególnie aktywnym w stosunku do bakterii Gram-ujemnych. W pracy wykazano, że intensywność sygnałów ramanowskich analizowanych bakterii: Escherichia coli, Salmonella enterica, Staphylococcus epidermidis i Bacillus 29

30 megaterium wzrasta od 4 do 5 razy w porównaniu z ich sygnałami rejestrowanymi z podłoży niemodyfikowanych (próbka z bakteriami bezpośrednio umieszczana na podłożu), co prezentuje poniższy rysunek 13A. A) B) Rysunek 13. (A) Przykładowe widma SERS (a) E. coli, (b) S. enterica, rejestrowane bezpośrednio z hybrydowych podłoży Ag-Au. Widma oznaczone jako a*-b* odnoszą się do powyższych bakterii na podłożach modyfikowanych wankomycyną. (B) Obrazy SEM bakterii (a) E. coli, (b) S. enterica, (c) S. epidermidis, and (d) B. megaterium na modyfikowanych antybiotykiem podłożach Ag-Au. Wykazano również, że zmodyfikowane wankomycyną podłoża Ag-Au mogą być wykorzystywane do wychwytywania (detekcji) bakterii z zakażonej krwi ludzkiej. Wyniki badań pokazały przede wszystkim, że jedną z podstawowych trudności w rejestracji widm bakterii, nawet jeżeli mamy podłoże SERS-owskie gwarantujące bardzo dobre własności spektralne rejestrowanych widm, jest immobilizacja bakterii na podłożu. Zastosowana metoda modyfikacji podłoży antybiotykami w znaczącym stopniu ten problem rozwiązuje, ale posiada też ograniczenia, jak chociażby wybór takich antybiotyków, które nie dają same silnych obrazów spektralnych, co utrudniałoby lub też uniemożliwiło identyfikację pasm charakterystycznych dla analizowanych bakterii. Dlatego też, poszukiwałam nanostruktur metalicznych, które podtrzymywałyby rezonans plazmonowy i dawały silne sygnały SERS, ale też jednocześnie pozwalały na immobilizację bakterii. Układy biologiczne, które nie posiadają grup wiążących z dużym powinowactwem do podłoży Ag i Au i/lub tak jak mikroorganizmy, np. bakterie przemieszczają się po podłożu, stwarzają tym samym duże 30