Применение инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье для идентификации биомолекул в водных растворах предоставляет возможность проводить исследования структуры, реакций и процессов транспорта биологически активных молекул в режиме in situ, в реальном времени и без повреждения образца. Однако сильное поглощение воды в инфракрасной области затмевает характерные колебательные «отпечатки» отдельных биомолекул, что делает использование этого метода весьма сложным. Исследователи Национального центра нанотехнологий в сотрудничестве с компанией Zeyou Technology разработали микрожидкостную систему для проведения тестов в режиме трансмиссионной ИК‑спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) в жидкой среде; при этом, создав графеновые наноструктуры, обеспечивающие эффективное электрическое управление в физиологических условиях, они не только успешно возбудили настраиваемый графеновый плазмонный отклик и подавили фоновые помехи, обусловленные водной средой, но и значительно усилили инфракрасный сигнал белковых молекул. Кроме того, учёные использовали изотопный эффект для инфракрасного мониторинга процесса замещения протонов водорода дейтерием в монослойных белковых мембранах в водных растворах. Этот управляемый графеновый плазмонный усилительный подход к FTIR открывает новые возможности для изучения биологических процессов в водных растворах на наноуровне.

Результаты исследования были опубликованы в журнале «ADVANCED MATERIALS» под названием «Ультрачувствительное биосенсирование в среде водных растворов в диапазоне среднего инфракрасного спектра с использованием графеновых плазмонов». Автором статьи является докторант Национального центра нанонауки У Чэньчэнь, а соавторами‑корреспондентами — научные сотрудники Ян Сяося и Дай Цин.

Ссылка на оригинал: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202110525

Рис. Методика эксперимента

Компания «Аньхой ZEPTOOLS» по поручению исследователей Национального центра нанонауки оказала поддержку в области индивидуальной разработки и производства оригинальной кюветы для проведения ин‑ситу фурье‑спектроскопии в среде жидкой фазы. Данное устройство отлично совместимо с коммерческими приборами Фурье‑ИК‑спектроскопии, обладает удобной разъёмной конструкцией и получило высокую оценку со стороны научных сотрудников.

Рис. Физический образец установки для инфракрасной спектроскопии in situ

Рис. Платформа для инфракрасной спектроскопии с усилением за счёт графеновых плазмонов, настраиваемая по длине волны: (a) схематическое изображение экспериментальной установки; (b) инфракрасные спектры белковых растворов в микрофлюидной системе — с усилением за счёт графеновых плазмонов (красная кривая) и без него (синяя кривая), полученные в режиме пропускания; (c) инфракрасные спектры с усилением за счёт графеновых плазмонов, исключающие влияние воды, позволяющие непосредственно идентифицировать полосу амид I нанобелка в водном растворе.

Рис. Инфракрасная спектроскопия с усилением за счёт графеновых плазмонов для in situ‑мониторинга процесса обмена протонов водорода и дейтерия в нанобелках: (a) инфракрасные спектры с усилением за счёт графена полос амид I и амид II нанобелков в различных растворах (вода и тяжёлая вода); (b) схематическое изображение процесса обмена протонов водорода и дейтерия в белке; (c) изменения вибрационных «отпечатков» белка в среде с различной концентрацией тяжёлой воды, выявленные с помощью инфракрасной спектроскопии с усилением за счёт графеновых плазмонов.